JPH11233699A - パワー半導体モジュール - Google Patents

パワー半導体モジュール

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JPH11233699A
JPH11233699A JP10029956A JP2995698A JPH11233699A JP H11233699 A JPH11233699 A JP H11233699A JP 10029956 A JP10029956 A JP 10029956A JP 2995698 A JP2995698 A JP 2995698A JP H11233699 A JPH11233699 A JP H11233699A
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JP
Japan
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power semiconductor
semiconductor module
electrode
electrically connected
conductive resin
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JP10029956A
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English (en)
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Takeshi Oi
健史 大井
Mitsugi Takahashi
貢 高橋
Toshiyuki Kikunaga
敏之 菊永
Goji Horiguchi
剛司 堀口
Osamu Usui
修 碓井
Hirotaka Muto
浩隆 武藤
Sadamu Matsuda
定 松田
Takumi Kikuchi
巧 菊池
Yasumi Kamigai
康己 上貝
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的接続の長期信頼性を備えたパワー半導
体モジュールを得る。 【解決手段】 モジュール内部の配線の電気的接続部に
おいて、接続される部材の接合面の周囲にフィレット状
の導電性樹脂１３を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、モータ等の電気
機器の駆動電流を制御する電力変換装置に用いられるパ
ワー半導体モジュール、特にパワー半導体モジュールに
おける配線の電気的接続部の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のパワー半導体モジュールの一例と
して、汎用のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transi
stor)モジュールの主要部を模擬的に示した断面図を図
１９に示す。図において、１はＡｌやＣｕ等からなる放
熱用ベース板、２は両面にＣｕ等の金属の薄板(図示せ
ず)が接着されたアルミナ、ＡＩＮ等からなる絶縁基板
で、放熱用ベース板１上に半田等により固定される。絶
縁基板２上にはＩＧＢＴチップ３が搭載されている。図
のＩＧＢＴチップ３は上面がエミッタ電極４、下面がコ
レクタ電極５となっており、コレクタ電極５は半田等の
導電性材料で絶縁基板２上の金属薄板と電気的に接続さ
れる。
【０００３】６、７はそれぞれ主回路配線の主要部をな
すエミッタ用およびコレクタ用ブスバーで、中継基板８
と電気的に接続されている。チップ３と中継基板８との
間はＡｌワイヤボンド線９により電気的に接続される。
１０はパワー半導体モジュールのケースで、ケース１０
内部はシリコンゲル１１でモールドされている。
【０００４】このように、従来のパワー半導体モジュー
ルでは、パワー半導体チップであるＩＧＢＴチップ３と
主回路配線であるエミッタ用およびコレクタ用ブスバー
６、７との電気的接続にはＡｌワイヤボンド線９を用い
ていた。
【０００５】また、パワー半導体モジュールの他の電気
的接続法に、モジュール外部から圧力を加えることによ
り電気的な接続を行う圧接法があり、特に大容量モジュ
ール用として採用されていた。
【０００６】このように従来のパワー半導体モジュール
では、モジュール内の電気的接続法として、ワイヤボン
ディング法または圧接法のいずれかが採用されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のパワー半導体モ
ジュールは以上のように構成されていたが、上述のワイ
ヤボンドによる電気的接続法では、定格５Ａ以下の小容
量のモジュールならば運転時の発熱量が小さく、ワイヤ
ボンド接続部に問題はあまり起こらないが、それ以上の
大容量モジュールになると、運転時の発熱量が大きく、
温度サイクルが激しいため、パワー半導体チップとＡｌ
ワイヤボンド線との熱膨張差により生ずる熱ストレスに
より接合面の剥離が生じ易く、長期的信頼性に問題があ
った。
【０００８】ここで言うところの熱ストレスは、ＩＣ等
の通常の半導体分野におけるものとは、ストレスモード
が大きく異なる。通常の半導体チップでは、チップ自体
の発熱量は小さく、主に加わる熱ストレスは、アセンブ
リ工程における半田リフローや信頼性評価試験時におけ
るヒートショックサイクルといった外的な要因によるも
のである。
【０００９】一方、パワー半導体モジュールにおいて
は、モータ等の駆動電流のＯＮ、ＯＦＦを繰り返すため
に、ＯＮ時(大電流通電時)およびスイッチング時にパワ
ー半導体チップ自身が大きな発熱を生じ、特にパワー半
導体チップとＣｕ、Ａｌ等よりなる主回路配線との接合
部のように、線膨張係数が大きく異なる材料間の接続部
では、大きな熱ストレスが発生する。パワー半導体モジ
ュールにおいて問題となるのは、このような急峻で高頻
度な温度サイクルが発生するために生じる熱ストレスで
ある。これは大容量のモジュールになるほど重大な問題
となってくる。
【００１０】また、電鉄や鉄鋼分野で使用されるような
大容量モジュールでは、このような過酷な使用環境で、
２０年から３０年という長期寿命が要求される。そのた
め、パワー半導体モジュールでは、通称「パワーサイク
ル試験」と呼ばれる、パワー半導体チップに断続的に大
電流を通電することによって、非常に高速に温度変化さ
せ、しかも非常に回数の多いヒートショックサイクル試
験をクリアすることが要求される。
【００１１】このことは、文献［題名：ＩＧＢＴパワー
モジュールの信頼性試験および分析(RELIABILITY TESTI
NG AND ANALYSIS OF IGBT POWER MODULES)、 著者：Pete
r Yacob, Marcel Held, Paolo Scacco, Wuchen Wu、 出
典：IEE Colloquium on "IGBTpropulsion drives" １９
９５年４月２５日］にも示されているが、従来のパワー
半導体モジュールにおいては、パワーサイクル試験にお
いて、△Ｔｊ＝７０℃の条件で、８〜２０万回で殆どが
ワイヤボンド剥離モードで破壊していた。ここで、ΔＴ
ｊは１サイクル中でのチップの温度変化である。
【００１２】一方、熱ストレス以外の問題として、チッ
プと配線電極とをワイヤボンドで接合する方式では、ワ
イヤの接合面積が小さいので、チップの主電極面(例え
ばエミッタ電極面)を有効に使うことができず、電流の
分流特性が悪くなったり、大容量モジュールでは、ワイ
ヤ接合部での電流密度が非常に高くなって、接合不良を
起こし断線する危険性が高くなる。
【００１３】また、パワー半導体モジュールでは、モジ
ュール製造工程において、ワイヤの接合強度を高めるた
め、ワイヤボンド時の接合面への加圧力を大きくする傾
向にあり、その反作用として、特にＭＯＳ系半導体チッ
プのようにエミッタ面下にゲート−エミッタ間の絶縁膜
が形成されている場合、ゲート−エミッタ間の絶縁不
良、チップの破壊などが起こり易く、歩留まりが低い等
の問題もあった。
【００１４】また、大容量のパワー半導体モジュールに
おいて従来から採用されている圧接法による電気的接続
法では、加圧力変動がモジュールの電気特性に大きな影
響を与えるため、メンテナンス性に問題があり、また、
外部からの加圧のためにスタック構造等の大掛かりな装
置になるという問題点があった。
【００１５】パワー半導体モジュールにおいては、パワ
ー半導体チップ自身の発熱による、急峻で高頻度な温度
サイクル下で、例えばパワー半導体チップとＣｕやＡｌ
等の金属電極のように線膨張係数が大きく異なっている
材料間に、大電流を通電することの可能な電気的接続を
長期間に渡って安定に確保する必要がある。近年は、パ
ワー半導体モジュールの大容量化やコンパクト化、高速
化等に伴い、パワー半導体チップの発熱密度が非常に大
きくなってきており、電気的接続の信頼性確保は、パワ
ー半導体モジュールにとって最重要課題である。
【００１６】この発明は、上記のような課題を解消する
ためになされたものであり、特に、パワー半導体モジュ
ールに強く要求される、電気的接続の長期信頼性を備え
たパワー半導体モジュールを得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明は、ケース内にパワー半導体チップを設けたパワー
半導体モジュールにおいて、電気的接続部分にフィレッ
ト状の導電性樹脂を設けたことを特徴とするパワー半導
体モジュールにある。
【００１８】またこの発明は、電気的に接続される部材
が互いに接触していることを特徴とするパワー半導体モ
ジュールにある。
【００１９】またこの発明は、電気的に接続される部材
間に上記導電性樹脂が介在していることを特徴とするパ
ワー半導体モジュールにある。
【００２０】またこの発明は、電気的に接続される部材
同士を加圧して押さえ付ける加圧手段を備えたことを特
徴とするパワー半導体モジュールにある。
【００２１】またこの発明は、電気的に接続される少な
くとも一方の部材が、電気的接続部において全体が上記
導電性樹脂によって覆われていることを特徴とするパワ
ー半導体モジュールにある。
【００２２】またこの発明は、電気的に接続される部材
の一方が、上記パワー半導体チップ上の主電極であるこ
とを特徴とするパワー半導体モジュールにある。
【００２３】またこの発明は、上記パワー半導体チップ
がコレクタ、エミッタ、アノード、カソード等の主電極
と共にゲート等の制御電極配線を設け、電気的に接続さ
れる一方の部材が、上記パワー半導体チップの主電極で
あり、上記主電極と接続される他方の部材である配線電
極が、上記制御電極配線を避けて主電極上にのみ配置さ
れていることを特徴とするパワー半導体モジュールにあ
る。
【００２４】またこの発明は、電気的に接続される一方
の部材が、上面パワー半導体チップを搭載する絶縁基板
の上面の金属薄板であり、他方の部材が主回路配線に接
続された配線電極であることを特徴とするパワー半導体
モジュールにある。
【００２５】またこの発明は、電気的に接続される一方
の部材が、ワイヤ状の配線電極からなることを特徴とす
るパワー半導体モジュールにある。
【００２６】またこの発明は、電気的に接続される一方
の部材が、ワイヤ状の配線電極からなり、さらに電極の
接合面がワイヤボンディングにより他方の部材に電気的
に接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュ
ールにある。
【００２７】またこの発明は、電気的に接続される一方
の部材が、複数の導体群からなることを特徴とするパワ
ー半導体モジュールにある。
【００２８】またこの発明は、電気的に接続される一方
の部材の配線電極の接続面側に、上記導電性樹脂の接着
力および熱応力に対する耐量を向上させるための、段差
加工または面取り加工により形成された切り欠き部を設
けたことを特徴とするパワー半導体モジュールにある。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、この発明を各実施の形態に
従って説明する。そして以下の例では、パワー半導体チ
ップとしてＩＧＢＴチップを用いたパワー半導体モジュ
−ルについて説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の一実施の形態によるパ
ワー半導体モジュールのケース内部(主要部)の模擬的な
断面図であり、(ａ)が縦断面図、(ｂ)が横断面図を示
す。図１において、１はＡｌやＣｕ等からなる放熱用ベ
ース板、２は両面にＣｕ等の金属の薄板が接着されたア
ルミナ、ＡｌＮ等のセラミックスからなる絶縁基板で、
放熱用ベース板１上に半田等により固定される。絶縁基
板２上には、３のパワー半導体チップとしてのＩＧＢＴ
チップが搭載されている。
【００３０】図のＩＧＢＴチップ３は上面がエミッタ電
極４、下面がコレクタ電極５となっており、コレクタ電
極５は、半田等の導電性材料で絶縁基板２上の金属薄板
と電気的に接続される。この場合、ＩＧＢＴチップ３と
絶縁基板２との線膨張係数差は小さいので、半田のよう
に硬い材料であっても、熱ストレスによるクラックは生
じにくい。
【００３１】１２はＣｕやＡｌのような金属等の導電性
材料からなる配線電極で、この例では、主回路の主要部
をなすブスバー６と一体となっているが、配線電極１２
とブスバー６とは、半田等で接続されていてもよい。配
線電極１２はＩＧＢＴチップ３のエミッタ電極４と接触
するように配置される。配線電極１２とエミッタ電極４
との接触部の周囲には、高さ方向に盛り上がったフィレ
ット状の導電性樹脂１３が設けてある。また、導電性樹
脂１３は図１のように配線電極１２とエミッタ電極４と
の接触面の全周に設けても、また図２のように一部に設
けてもよい。また、図１の配線電極１２は円柱状である
が、図３のようにブロック状や平板状であってもよい。
【００３２】従来のように、パワー半導体モジュールに
おいて、ＩＧＢＴ等の半導体チップや絶縁基板とＡｌや
Ｃｕのような金属とをワイヤボンドや半田付け等によっ
て電気的に接続する場合、例えば、パワー半導体チップ
の線膨張係数が３〜４ｐｐｍ／℃であるのに対し、Ａｌ
ワイヤの線膨張係数は２４ｐｐｍ／℃であって、熱膨張
差が非常に大きく、運転時に生じる急激な温度サイクル
によって、急激で高頻度な熱ストレスが発生し、接続部
の剥離等の問題が生じ易く、電気的接続部の長期信頼性
に問題があった。
【００３３】導電性樹脂は、半田等の他の接合用導電性
材料に比べて弾性率が低く、熱ストレス緩衝用材料とし
て使用されている。しかし、導電性樹脂は金属に比べれ
ば体積抵抗率が非常に大きく、大電流を扱う用途には使
用できないというのが一般的な認識となっている。例え
ば配電系統への導電性樹脂の導入は、導電性樹脂部での
ジュール損失が致命的な欠陥であり、現実的ではない。
しかし、半導体による電力変換装置では、パワー半導体
自身の通電時のＯＮ電圧が数Ｖと大きく、非常に大きな
発熱を生じる。したがってパワー半導体モジュール内の
電気的接続部としては、他の重電分野におけるような、
低抵抗、低損失は必要でなく、パワー半導体チップのＯ
Ｎ電圧、発生損失に比べて十分無視できる程度であれば
よい。
【００３４】以上のことから、パワー半導体モジュール
における電気的接続部として、満たすべき最も重要な条
件として次の２つがある。 (１) モータ駆動電流のような大電流を通電する能力を
有し、かつ通電時での電気的接続部における発生電圧お
よび発生損失が、パワー半導体チップに比べ十分小さい
こと。 (２) パワー半導体チップの発熱に起因する、急峻で高
頻度な熱ストレスに対して、上記(１)の条件を長期にわ
たって満足すること。
【００３５】パワー半導体モジュールでは、数十Ａ／ｃ
ｍ2以上の電流を通電する必要が生じる場合があるが、
導電性樹脂をこのような大電流通電部に適用した例はこ
れまでない。そこで、導電性樹脂のパワー半導体モジュ
ール電気的接続部への適用の可能性を検討するため、大
電流通電試験およびパワーサイクル試験等のヒートショ
ックサイクル試験を実施し、導電性樹脂がパワー半導体
モジュールの電気的接続に十分適用できることを見出し
た。この発明は、これら数多くの実験結果より得られた
知見のもとになされたものである。
【００３６】ここで用いられる導電性樹脂としては、例
えばマトリクス材料としてエポキシ樹脂、充填材として
銀を用いたものが使用できるが、マトリクス材、充填材
ともにこれに限定されない。ただし、一般に導電性樹脂
は、体積抵抗率を小さくするために充填材を多くする
と、弾性率が大きくなってしかも脆くなる傾向にあり、
逆に弾性率を低くするために充填材を少なくすると、体
積抵抗率が大きくなってしまうため、体積抵抗率と弾性
率のトレードオフにより、マトリクス材料と充填材の種
類、およびその含有率が決定される。
【００３７】この実施の形態によるパワー半導体モジュ
ールでは、図１、２、３のように配線電極１２とエミッ
タ電極４とを接触するように配置し、さらに両電極の接
触面に隣接したフィレット状の導電性樹脂１３により、
配線電極１２とエミッタ電極４を電気的に接続してい
る。接触面では、接触面を加圧することによって電気的
に接続されていてもよく、また、両電極がワイヤボンデ
ィングで接合されていてもよい。接触面を加圧(圧接)し
て電気的に接続する場合については、実施の形態３で詳
細に述べ、両電極がワイヤボンディングによって接合さ
れている場合については実施の形態６で詳細に述べる。
【００３８】次に電気的接続部に設けられたフィレット
状の導電性樹脂１３の効果について述べる。図４および
図５にそれぞれフィレット状の導電性樹脂１３がない場
合とある場合の、電気的接続部における電流路の模式図
を示す。図では例として、円柱状の配線電極１２とエミ
ッタ電極４とが接続されている場合を示している。図４
ではエミッタ電極４側からの電流は、エミッタ電極４と
配線電極１２との接触面に集まり、接触面を通過後、配
線電極内全体に広がるように流れる。このように配線電
極１２とエミッタ電極４との接触面だけで電気的に接続
されている場合、狭い接触面を電流が通過しなければな
らず、接触面における電流密度が高くなり、良好な電気
特性を得にくい。
【００３９】さらに、配線電極１２が円柱状の場合や、
配線電極１２に面取り加工が施されている場合などのよ
うに、電気的接触断面積が配線電極１２の他の領域の断
面積より小さくなって、電流が接触面から配線電極側に
広がるように分布する場合、図４のように、配線電極側
面付近を流れる電流が、エミッタ電極中を流れる電流に
対して、反対方向の成分を持つので、電磁反発力が配線
電極１２とエミッタ電極４とを引き離す方向に働き、接
触面に大電流が流れると、配線電極１２とエミッタ電極
４との接触面がこの電磁反発力によって剥離してしまう
場合がある。
【００４０】一方、図５では、フィレット状の導電性樹
脂１３による電流経路が形成されているので、電気的接
触断面積が大幅に大きくなって、接続部での電流密度が
低下し、良好な電気特性が得られ、さらに図４のような
電磁反発力を発生させるような電流経路の形成を回避で
きる。さらに、導電性樹脂１３の接着力により、配線電
極１２とエミッタ電極４との密着性が向上して、電気特
性および接続の信頼性が向上するという効果も得られ
る。また、導電性樹脂１３を高さ方向に盛り上げて、２
つの電極を接着するフィレット構造は、熱ストレスに対
する耐量が大きく、パワー半導体モジュールにおける過
酷な温度サイクルにも十分耐え得る。このようにフィレ
ット状の導電性樹脂１３を用いれば、先に述べた、パワ
ー半導体モジュールの電気的接続部に要求される最も重
要な２つの条件を満たす非常に優れた構造を得ることが
できる。
【００４１】実施の形態２．また、実施の形態１では、
配線電極１２とＩＧＢＴチップ３のエミッタ電極４が互
いに接触していたが、配線電極１２とエミッタ電極４と
の間に導電性樹脂１３が介在していてもよい。このよう
な構成の実施の形態２によるパワー半導体モジュールの
主要部の模擬的な断面図を図６に示す。また、配線電極
１２の形状は、図のような直方体である必要はなく、例
えば円柱状の配線電極１２の場合を図７に示す。
【００４２】実施の形態１では、配線電極１２とエミッ
タ電極４との接触面での電気的接続をより確実にするに
は、ワイヤボンディングや圧接法等を用いる必要がある
が、図６または図７のように配線電極１２とエミッタ電
極４間に導電性樹脂１３を介在させて接続することによ
り、フィレット状の導電性樹脂１３の形成と同一プロセ
スで、実施の形態１と同様な効果が得られるとともに、
実施の形態１における配線電極１２とエミッタ電極４と
の接触面の電気特性および接続の信頼性を、他のプロセ
スを導入しなくとも、フィレット状の導電性樹脂１２の
形成と同一プロセスで向上させることができる。
【００４３】また、一般に、線膨張係数の異なる材料を
接着剤で接続する場合、接着剤内部に発生する熱応力
は、接着剤の厚さが大きくなるほど小さくなる。また、
接着剤のクラックは、接続部の周辺から進展し易いとい
う２つの性質がある。したがって、この実施の形態によ
れば、フィレット状の導電性樹脂１３の外周部で熱応力
が緩和されるので、配線電極１２とエミッタ電極４が対
向する領域での導電性樹脂１３の厚さを薄くすること
で、良好な電気特性を得ることができる。このようにし
て、熱応力に対する耐量を十分有し、かつ電気特性の良
好な電気的接続部を得ることができる。
【００４４】実施の形態３．図８および図９にこの発明
の実施の形態３によるパワー半導体モジュールの主要部
の模擬的な断面図を示す。図８はこの実施の形態による
発明を実施の形態１に適用して、配線電極１２とエミッ
タ電極４との接触面を加圧する加圧手段を設けたもので
あり、図９はこの実施の形態による発明を実施の形態２
に適用して配線電極１２とエミッタ電極４間に介在する
導電性樹脂１３を加圧する加圧手段を設けたものであ
る。
【００４５】図８および図９に示した例では、梁１４、
支柱１５、ばね１６からなる圧接手段が設けてあり、ば
ね１６を介して、電気的接続部を加圧できるようになっ
ているが、加圧手段はこれに限定されるもでのではな
く、例えば、ばねの代わりにゴムやスポンジなども使用
でき、また、梁や支柱を設けずに、モジュールのケース
に直接ばねを取り付けてもよい。なお、加圧手段で、特
に図におけるばね１６のように、電気的接続部に接触す
る部材の材料としては、絶縁性の材料、非絶縁性の材料
共に使用可能であるが、後者の場合は、加圧部材と電気
的接続部とを絶縁する方がより望ましい。
【００４６】まず、図８に示す構成について説明する。
接続される電極を接触させて、接触面を加圧することに
よって電気的に接続する圧接法は、主として大容量モジ
ュールの電気的接続に用いられている。圧接法では、電
気的接続部の電気特性が加圧力によって大きく変動する
ので、電気的接続部の加圧力が不均一であったり、特に
パワー半導体チップがモジュール内で並列に接続されて
いる場合、各チップへの加圧力が不均一であったりする
と、ある特定の領域またはチップに電流が集中して、モ
ジュールが破壊する場合がある。また、温度変化に伴う
材料の熱膨張によって、加圧力が変化したり、材料のク
リープ等による、加圧力の経時変化が大きくなると、モ
ジュールの安定な動作が不可能になる場合がある。した
がって、圧接法では、適切な加圧力を均等にかつ長期に
わたって安定に確保する必要がある。このためには通常
非常に大掛かりな加圧装置が必要となる。
【００４７】図８では、電気的な接触部を加圧手段１
４、１５、１６によって加圧するとともに、接触部の周
囲にフィレット状の導電性樹脂１３が設けてある。この
ような構成では、加圧された接触面を通過する電流経路
と、導電性樹脂１３を通過する電流経路の２つが並列に
存在することになり、圧接法のみによる電気的接続に比
べて、加圧力の変動に伴う電気特性の変化を非常に小さ
くすることができる。さらに導電性樹脂１３による接着
力は加圧手段による加圧力を補助するので、加圧力変動
自体が小さくなる。また、導電性樹脂１３による電気的
な接続によって電気的接触断面積が大きくなって、電流
密度が低下するので良好な電気特性が得られる。このよ
うな構成にすることによって、簡易な加圧手段によって
も、非常に安定で良好な電気特性を長期にわたって安定
に維持できる。
【００４８】次に、図９の構成について説明する。図９
では配線電極１２とエミッタ電極４間に導電性樹脂１３
が介在し、この導電性樹脂１３を加圧する構造となって
いる。このような構造にすることにより、加圧しない場
合よりも、さらにパワー半導体モジュールにおける電気
的接続部の電気的性能、長期信頼性を向上することがで
きる。これは、導電性樹脂部が加圧されることにより、
樹脂内の導電性粒子同士の接触がよくなり、体積抵抗率
が低下し、かつ導電性樹脂１３とパワー半導体チップ３
や配線電極１２との接触抵抗が低下すること、さらに導
電性樹脂１３とパワー半導体チップ３および配線電極１
２との界面の密着性が高まり、接続信頼性が向上するこ
とによる。この効果は導電性樹脂１３の弾性率が小さい
程効果がある。また、フィレット状の導電性樹脂１３を
加圧することによって、上述と同様な効果が得られ、電
気特性および長期信頼性の良好な電気的接続部が得られ
る。
【００４９】実施の形態４．また、上記実施の形態１か
ら３では電気的接続部にフィレット状の導電性樹脂を設
けているが、さらに電気的接続部における配線電極全体
が、導電性樹脂で覆われていてもよい。そのような発明
の実施の形態４によるパワー半導体モジュールの主要部
の模擬的な断面図を図１０に示す。図において、エミッ
タ電極４面上の配線電極１２全体が導電性樹脂１３で覆
われている。配線電極１２はエミッタ用ブスバー６と一
体になっているが、必ずしも一体である必要はなく、半
田等の材料で接続されていてもよい。
【００５０】電気的接続部には、これまで述べてきた接
続部での配線電極１２とエミッタ電極４との熱膨張差に
起因する熱応力のほかに、配線電極１２全体の熱膨張
や、配線電極１２と接続されているブスバー６の熱膨張
による応力が加わる。この実施の形態では、電気的接続
部における配線電極１２全体が導電性樹脂１３で覆われ
固定されている。このような構成では、電気的接続部で
の接続強度が増して、信頼性が向上するとともに、ブス
バー６等の熱膨張に伴う応力は、図の導電性樹脂１３に
よる固定点Ａに集中し、電気的接続部へ応力を伝達しな
い。このようにして、ブスバー６等の熱膨張による応力
の影響を受けない電気的接続部が可能になる。
【００５１】実施の形態５．上述の各実施の形態では、
配線電極とエミッタ電極との電気的接続部について述べ
てきたが、ＩＧＢＴチップを搭載した絶縁基板上の電極
との電気的接続にも使用できる。そのような発明の実施
の形態５によるパワー半導体モジュールの主要部の模擬
的な断面図を図１１に示す。ＩＧＢＴチップ３を搭載す
る絶縁基板２は、放熱用ベース板１側にＩＧＢＴチップ
３で発生した熱を効率よく伝達するため、アルミナやＡ
ｌＮ等のセラミックスからなる場合が多い。絶縁基板２
の両面にはＣｕ等の金属薄板１７が接着されており、一
方の面は半田等により放熱用ベース板１に固定され、も
う一方の面にＩＧＢＴチップ３が搭載され、ＩＧＢＴチ
ップ３のコレクタ電極５と半田等により電気的に接続さ
れる。
【００５２】通常、ＩＧＢＴチップ３のコレクタ電極５
と配線電極１２との電気的な接続は、この絶縁基板２上
の金属薄板１７を介して行われる。絶縁基板２を構成す
るセラミックスの線膨張係数はＩＧＢＴチップ３とあま
り差がなく、配線電極１２と絶縁基板２上の金属薄板１
７との電気的接続部には、エミッタ電極４と配線電極１
２との接続と同様な熱ストレスが発生する。したがって
上記実施の形態に示した発明を適用して導電性樹脂１３
を設けることにより、絶縁基板２上の金属薄板１７と配
線電極１２との電気的接続部の信頼性を向上することが
できる。図では、電気的接続部の構成として、実施の形
態１によるものを示しているが、これに限定されず、上
述の他の実施の形態による電気的接続部の構成を適用で
きる。また、エミッタ電極４の電気的接続の構成と絶縁
基板２の金属薄板１７の接続の構成は、図示のように同
じである必要はない。
【００５３】実施の形態６．図１２に実施の形態６によ
るパワー半導体モジュールの主要部の模擬的な断面図を
示す。図において、エミッタ電極４と接続される配線電
極１２にワイヤ状の金属導体を用いている。実施の形態
４でも述べたが、電気的接続部には接続部での配線電極
１２とエミッタ電極４との熱膨張差に起因する熱応力の
ほかに、配線電極１２全体の熱膨張や、配線電極１２と
接続されているブスバー６の熱膨張による応力が加わ
る。この実施の形態のように、ワイヤ状の配線電極１２
を用いると、ワイヤの剛性が低くて変形しやすいため、
ワイヤの熱膨張によって導電性樹脂１３に加わる応力が
非常に小さく、さらにワイヤと接続されたブスバー６の
熱膨張をワイヤの変形によって吸収できる。このように
して、ブスバー６等の熱膨張による応力の影響を受けな
い電気的接続部が可能になる。
【００５４】実施の形態７．図１３に実施の形態７によ
るパワー半導体モジュールの主要部の模擬的な断面図を
示す。図において、放熱用ベース板１、絶縁基板２、Ｉ
ＧＢＴチップ３については図１と同様であるので説明を
省略する。６、７はそれぞれ主回路配線の主要部をな
す、エミッタ用およびコレクタ用ブスバーで、中継基板
８と電気的に接続されている。ＩＧＢＴチップ３のエミ
ッタ電極４とコレクタ電極５はそれぞれワイヤボンディ
ングによってワイヤ状の配線電極１２を介して中継基板
８と接続される。中継基板８は必ずしも必要ではなく、
エミッタ電極４およびコレクタ電極５が配線電極１２に
よって、直接ブスバー６、７と接続されていてもよい。
ワイヤ状の配線電極１２の接合部は導電性樹脂１３によ
り覆われている。
【００５５】図では、接合部におけるワイヤ(ワイヤ状
の配線電極１２)全体が導電性樹脂１３で覆われている
が、ワイヤ全体が覆われていなくてもよく、フィレット
状の導電性樹脂１３が設けてあるだけでもよい。また図
では、エミッタ電極４上、コレクタ電極５上、中継基板
８上のワイヤボンディングによって接続されるすべての
箇所に導電性樹脂１３を設けているが、導電性樹脂１３
を設ける場所はこれに限られるものではなく、例えば、
エミッタ電極４上だけに導電性樹脂１３を配置してもよ
い。１０はパワー半導体モジュールのケースで、モジュ
ール内部がシリコンゲル１１でモールドされている。
【００５６】ワイヤボンディングによる電気的接続は先
に述べたように、接触断面積が小さいことによる非常に
高い電流密度、熱ストレスによるワイヤ接合部の剥離、
製造時におけるチップの破壊による歩留まり低下等の問
題点があるが、一方で、ワイヤの剛性が低くて変形し易
いため、ワイヤの熱膨張によって導電性樹脂１３に加わ
る応力が非常に小さく、さらにワイヤと接続されたブス
バー６の熱膨張をワイヤの変形によって吸収できるとい
う利点がある。また、製造ラインの自動化が容易という
利点もある。
【００５７】この実施の形態によれば、これらのワイヤ
ボンディングの利点に加え、上述のワイヤボンディング
の問題点を解消した電気的接続が可能である。まず、接
触断面積については、ワイヤ接合面以外の面が導電性樹
脂１３によって電気的な接触面として有効となっている
ため、接触断面積が大きくなって電流密度が低減でき
る。ワイヤ接合部の剥離については、導電性樹脂１３の
接着力により接合面の剥離が生じにくくなるだけでな
く、実施の形態１で述べたように導電性樹脂１３によっ
て形成される電流経路により、電磁反発力の発生を抑え
ることができる。
【００５８】さらにたとえワイヤ接合面でクラックが生
じても、導電性樹脂１３による電気接続は維持されてい
るので、電気特性の安定性は確保できる。また製造時の
チップ破壊による歩留まり低下については、接合面剥離
の問題が、導電性樹脂１３によって解消されているの
で、ワイヤボンディング時の接合面への加圧力を低減す
ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００５９】実施の形態８．図１４にこの発明の実施の
形態８によるパワー半導体モジュールの主要部の模擬的
な断面図を示す。実施の形態６で述べたように、配線電
極１２としてワイヤのような剛性が低く変形し易い導体
を用いると、ワイヤの熱膨張によって導電性樹脂１３に
加わる応力が非常に小さく、さらにワイヤと接続された
ブスバー６、７の熱膨張をワイヤの変形によって吸収で
きるという利点が得られる。しかし、主回路に流れる電
流が大きくなってくると、ワイヤ状の導体ではその断面
積が小さく、導体での発熱、さらには断線という問題が
生じる場合があるので、配線電極１２としては、電流に
応じた最低限の断面積を確保する必要がある。
【００６０】この実施の形態によるパワー半導体モジュ
ールでは、図のように配線電極１２が複数本の導体群か
らなっている。図では、実施の形態１のように、配線電
極１２とエミッタ電極４とが接触しているが、実施の形
態２のように、配線電極１２とエミッタ電極４との間に
導電性樹脂１３が介在していてもよい。このような構成
により、配線電極１２が同一断面積で一つの剛体である
場合に比べ、剛性が低くなって、ブスバー等の熱膨張を
吸収することができるようになる。ブスバー等の熱膨張
を十分吸収するためには、複数の導体群の各導体一本あ
たりの断面積を１ｍｍ2以下とすることが望ましい。
【００６１】次に、配線電極１２を複数に分割する別の
効果について述べる。図１５にこの実施の形態の別の構
成によるパワー半導体モジュールの断面図を示す。図に
おける配線電極は、櫛の歯状に加工されて、電気的接続
部において複数箇所で接続される構成となっている。図
では配線電極１２とエミッタ電極４間に導電性樹脂１３
が介在しているが、配線電極１２とエミッタ電極４とは
接触していてもよい。線膨張係数の異なる材料を導電性
樹脂１３で接続する場合、接続面積が大きくなるほど、
また導電性樹脂１３の厚さが薄くなるほど、導電性樹脂
１３に加わる熱応力が大きくなる。しかし、配線電極１
２とエミッタ電極４間に介在する導電性樹脂１３の厚さ
を厚くすると、導電性樹脂１３部での発生電圧がＩＧＢ
Ｔチップ３のＯＮ電圧に比べ無視できなくなってくるの
で、あまり厚くすることはできない。
【００６２】図１５では、配線電極１２を複数に分割す
ることによって、それぞれの接続箇所における接続面積
を小さくして、熱応力を小さくしている。さらに、フィ
レット状の導電性樹脂１３によって、配線電極１２の側
面が電気的な接触面として有効になっているので、複数
に分割することによる電気的接続部全体における電気的
接触断面積の低下を抑え、単純に配線電極１２を分割す
る場合に比べ、良好な電気特性が得られる構成となって
いる。
【００６３】実施の形態９．図１６にこの発明の実施の
形態９によるパワー半導体モジュールの主要部の模擬的
な断面図を示す。図において、配線電極１２の接続面に
面取り加工が施されている。また、図１７のような段差
加工でもよい。図１６、図１７では、実施の形態１のよ
うに、配線電極１２とエミッタ電極４とが接触している
が、実施の形態２のように配線電極１２とエミッタ電極
４との間に導電性樹脂１３が介在していてもよい。図１
６や図１７のような加工が施されている場合、加工がな
い場合に比べ、フィレット状の導電性樹脂１３の接着力
および熱応力に対する耐量が向上し、長期的信頼性を得
ることができる。
【００６４】実施の形態１０．この発明の実施の形態１
０によるパワー半導体モジュールの主要部の模擬的な上
面図と断面図をそれぞれ図１８の(ａ)、(ｂ)に示す。図
において、１８はＩＧＢＴチップ３のエミッタ電極４と
同じ面上に設けられたゲート配線(制御電極配線)で、絶
縁被覆によりエミッタ電極４とは絶縁されている。１９
は、ゲート配線１８と制御回路(図示せず)との電気的な
接続を行うためのゲートパッドである。
【００６５】ゲート配線１８の絶縁被覆が、例えば配線
電極１２等により損傷を受けて絶縁不良を起こすと、ゲ
ート−エミッタ間に電圧を印加することができず、パワ
ー半導体チップ３は使用不能となる。この実施の形態に
よるパワー半導体モジュールでは、配線電極１２がゲー
ト配線１８部を避けた領域に配置される構造となってい
るため、ゲート配線１８の絶縁被覆が損傷を受けること
がなく、製造時の歩留まりが向上するだけでなく、長期
的な信頼性を確保することができる。
【００６６】また、図１８では実施の形態２のように配
線電極１２とエミッタ電極４との間に導電性樹脂１３が
介在しているが、実施の形態１のように配線電極１２と
エミッタ電極４とが接触していてもよい。また、図１８
では配線電極１２だけでなく導電性樹脂１３もゲート配
線１８部を避けて配置されているが、導電性樹脂１３は
ゲート配線１８部を覆っていてもよい。
【００６７】なお、この発明は、上記各実施の形態に限
定されるのもではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範
囲において、変更できるものである。例えば、上記各実
施の形態で説明したパワー半導体チップとしてはＩＧＢ
Ｔの他に、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、
ＧＴＯ、サイリスタ、トライアック、ＳＩＴ、ダイオー
ド等のいわゆるパワー半導体と称されるものであればよ
く、またこれらを単独で使用しても、また混在させて使
用してもよい。また、以上では主としてＩＧＢＴチップ
等のパワー半導体チップのエミッタ電極と配線電極との
電気接続について述べたが、これに限定されるものでは
なく、絶縁基板上の金属薄板とブスバー、ブスバー同士
の接続等のパワー半導体モジュール内の他の電気的接続
部にも適用可能である。
【００６８】
【発明の効果】以上のようにこの発明では、ケース内に
パワー半導体チップを設けたパワー半導体モジュールに
おいて、電気的接続部分にフィレット状の導電性樹脂を
設けたので、大電流を通電可能でかつ電気的接続部分で
の発生電圧および発生損失がパワー半導体チップに比べ
て十分小さく、さらにこれらの条件を急峻で高頻度な熱
ストレスに対して長期に渡って満足させることができ
る。
【００６９】またこの発明では、電気的に接続される部
材が互いに接触している場合において、上記条件を満足
させることができる。
【００７０】またこの発明では、電気的に接続される部
材間に上記導電性樹脂を介在させたたので、上記条件を
満足させると共に、さらに接触面での電気的特性および
接続の信頼性をさらに向上させることができる。
【００７１】またこの発明では、電気的に接続される部
材同士を加圧して押さえ付ける加圧手段を備えたので、
接触抵抗を低下させまた密着性を高めるため、電気的性
能、長期的信頼性をさらに向上させることができる。
【００７２】またこの発明では、電気的に接続される少
なくとも一方の部材が、電気的接続部において全体が上
記導電性樹脂によって覆われるようにしたので、接続強
度が増すと共に応力を導電性樹脂で受けるので接続部に
伝達されず、さらに信頼性が向上する。
【００７３】またこの発明では、電気的に接続される部
材の一方が、上記パワー半導体チップ上の主電極である
ので、パワー半導体チップ上の主電極における電気的接
続において上記の効果が得られる。
【００７４】またこの発明では、上記パワー半導体チッ
プがコレクタ、エミッタ、アノード、カソード等の主電
極と共にゲート等の制御電極配線を設け、電気的に接続
される一方の部材が、上記パワー半導体チップの主電極
であり、上記主電極と接続される他方の部材である配線
電極が、上記制御電極配線を避けて主電極上にのみ配置
されているようにしたので、制御電極配線の絶縁被覆が
損傷を受けることがなく、歩留まりが向上する。
【００７５】またこの発明では、電気的に接続される一
方の部材が、上面パワー半導体チップを搭載する絶縁基
板の上面の金属薄板であり、他方の部材が主回路配線に
接続された配線電極であるので、絶縁基板上の金属薄板
と主回路配線に接続された配線電極との接続において上
記効果が得られる。
【００７６】またこの発明では、電気的に接続される一
方の部材が、ワイヤ状の配線電極からなるので、ワイヤ
の剛性が低くて変形し易いために導電性樹脂に加わる応
力を小さくできる。
【００７７】またこの発明では、電気的に接続される一
方の部材が、ワイヤ状の配線電極からなり、さらに電極
の接合面がワイヤボンディングにより他方の部材に電気
的に接続されているので、ワイヤボンディング時の接合
面への加圧力を低減でき、歩留まりを向上させることが
できる。
【００７８】またこの発明では、電気的に接続される一
方の部材が、複数の導体群からなるので、それぞれの接
続箇所における接続面積を小さくして熱応力を小さくす
ることができ、かつ良好な電気特性が得られる。
【００７９】またこの発明では、電気的に接続される一
方の部材の配線電極の接続面側に、上記導電性樹脂の接
着力および熱応力に対する耐量を向上させるための、段
差加工または面取り加工により形成された切り欠き部を
設けたので、長期的信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (ａ)はこの発明の実施の形態１によるパワー
半導体モジュールの主要部を模式的に示す縦断面図、
(ｂ)は横断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１によるパワー半導体
モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図で
ある。
【図３】 この発明の実施の形態１によるパワー半導体
モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図で
ある。
【図４】 従来のパワー半導体モジュールの主要部にお
ける電流経路を模式的に示す断面図である。
【図５】 実施の形態１によるパワー半導体モジュール
の主要部における電流経路を模式的に示す断面図であ
る。
【図６】 この発明の実施の形態２によるパワー半導体
モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図７】 この発明の実施の形態２によるパワー半導体
モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図で
ある。
【図８】 この発明の実施の形態３によるパワー半導体
モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図９】 この発明の実施の形態３によるパワー半導体
モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図で
ある。
【図１０】 この発明の実施の形態４によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１１】 この発明の実施の形態５によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１２】 この発明の実施の形態６によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１３】 この発明の実施の形態７によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１４】 この発明の実施の形態８によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１５】 この発明の実施の形態８によるパワー半導
体モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図
である。
【図１６】 この発明の実施の形態９によるパワー半導
体モジュールの主要部の構成を模式的に示す断面図であ
る。
【図１７】 この発明の実施の形態９によるパワー半導
体モジュールの主要部の別の構成を模式的に示す断面図
である。
【図１８】 (ａ)はこの発明の実施の形態１０によるパ
ワー半導体モジュールの主要部の構成を模式的に示す上
面図、(ｂ)は断面図である。
【図１９】 従来のパワー半導体モジュールの主要部の
構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 放熱用ベース板、２ 絶縁基板、３ ＩＧＢＴチッ
プ(パワー半導体チップ)、４ エミッタ電極、５ コレ
クタ電極、６ エミッタ用ブスバー、７ コレクタ用ブ
スバー、８ 中継基板、１０ ケース、１１ シリコン
ゲル、１２配線電極、１３ 導電性樹脂、１４ 梁、１
５ 支柱、１６ ばね、１７ 金属薄板、１８ ゲート
配線(制御電極配線)、１９ ゲートパッド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀口 剛司 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 碓井 修 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 武藤 浩隆 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 松田 定 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 菊池 巧 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 上貝 康己 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケース内にパワー半導体チップを設けた
    パワー半導体モジュールにおいて、電気的接続部分にフ
    ィレット状の導電性樹脂を設けたことを特徴とするパワ
    ー半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 電気的に接続される部材が互いに接触し
    ていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体
    モジュール。
  3. 【請求項３】 電気的に接続される部材間に上記導電性
    樹脂が介在していることを特徴とする請求項１に記載の
    パワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 電気的に接続される部材同士を加圧して
    押さえ付ける加圧手段を備えたことを特徴とする請求項
    １ないし３のいずれかに記載のパワー半導体モジュー
    ル。
  5. 【請求項５】 電気的に接続される少なくとも一方の部
    材が、電気的接続部において全体が上記導電性樹脂によ
    って覆われていることを特徴とする請求項１ないし４の
    いずれかに記載のパワー半導体モジュール。
  6. 【請求項６】 電気的に接続される部材の一方が、上記
    パワー半導体チップ上の主電極であることを特徴とする
    請求項１ないし５のいずれかに記載のパワー半導体モジ
    ュール。
  7. 【請求項７】 上記パワー半導体チップがコレクタ、エ
    ミッタ、アノード、カソード等の主電極と共にゲート等
    の制御電極配線を設け、電気的に接続される一方の部材
    が、上記パワー半導体チップの主電極であり、上記主電
    極と接続される他方の部材である配線電極が、上記制御
    電極配線を避けて主電極上にのみ配置されていることを
    特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のパワー
    半導体モジュール。
  8. 【請求項８】 電気的に接続される一方の部材が、上面
    パワー半導体チップを搭載する絶縁基板の上面の金属薄
    板であり、他方の部材が主回路配線に接続された配線電
    極であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか
    に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】 電気的に接続される一方の部材が、ワイ
    ヤ状の配線電極からなることを特徴とする請求項１ない
    し８のいずれかに記載のパワー半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】 電気的に接続される一方の部材が、ワ
    イヤ状の配線電極からなり、さらに電極の接合面がワイ
    ヤボンディングにより他方の部材に電気的に接続されて
    いることを特徴とする請求項１、２、４ないし９のいず
    れかに記載のパワー半導体モジュール。
  11. 【請求項１１】 電気的に接続される一方の部材が、複
    数の導体群からなることを特徴とする請求項１ないし１
    ０のいずれかに記載のパワー半導体モジュール。
  12. 【請求項１２】 電気的に接続される一方の部材の配線
    電極の接続面側に、上記導電性樹脂の接着力および熱応
    力に対する耐量を向上させるための、段差加工または面
    取り加工により形成された切り欠き部を設けたことを特
    徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のパワー
    半導体モジュール。
JP10029956A 1998-02-12 1998-02-12 パワー半導体モジュール Pending JPH11233699A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006295158A (ja) * 2005-04-12 2006-10-26 Semikron Elektronik Gmbh & Co Kg 材料結合式で配設された端子要素を有するパワー半導体モジュール
CN1307699C (zh) * 2005-03-14 2007-03-28 西安交通大学 基于压接互连技术的电力电子集成模块的制备方法

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