JPWO2015079600A1 - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

製造歩留まりを向上させ、安定した接合強度を確保して信頼性を向上させたパワーモジュールを得る。一方の面に電極部（４）が形成された基材部（３）と、この基材部（３）の電極部（４）が形成された一方の面に対向させて配置され外部と電気的な接続をする導体部（５）と、基材部（３）の一方の面に形成された電極部（４）と導体部（５）の基材部（３）の一方の面に対向する面とに接合され電極部（４）と導体部（５）とを電気的に接続する配線部（７）とを備えたパワーモジュール。

Description

この発明は、パワーモジュールに関し、特にパワーモジュールの配線構造、パッケージ構造に関するものである。
パワー半導体素子（たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなど）が回路基板上に実装され、封止樹脂によりパッケージングされたパワーモジュールは、例えばモータ駆動装置などに用いられている。
パワーモジュールのパッケージ構造は、ケース構造と呼ばれるものが主流である。このケース型は、放熱用金属ベース板上に絶縁基板を介して、パワー半導体素子が実装され、放熱用金属ベース板に対してケースが接着された構造である。
そして、モジュール内部に実装された半導体素子は、主電極と接続されている。このパワー半導体素子と主電極との接続には、ワイヤが用いられている。ワイヤとしては、一般的には線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製の線材が用いられている。
ワイヤを超音波溶接する場合、隣り合うワイヤの間隔は、超音波溶接ツールのヘッドが既に設置したワイヤと干渉しないように設定する必要がある。また、パワーモジュールを大電流化するためには、パワー半導体素子に接合するワイヤの本数を増やす必要があるが、パワー半導体素子のサイズが限られていることから、設置できるワイヤの本数には限界があり、大電流化が困難であるという課題があった。
そこで、この課題を解決するためのワイヤボンディングに変わる手法として、ダイレクトリードボンディングが提案され、実用化されている。ダイレクトリードボンディングでは、板状の主端子（リード）とパワー半導体素子とを、ハンダによって接合する。ダイレクトリードボンディングでは、ワイヤボンディングと比較して、大電流化に対応可能、配線抵抗や配線インダクタンスを低減できるという特徴がある（例えば、特許文献１）。
しかしながら、ダイレクトリードボンディングでは、パワー半導体素子と板状の主端子との線膨張係数の差から生じる応力が、接合材料であるハンダ部に印加されることにより、ハンダのクラックが生じるため、信頼性に問題があるという課題がある。これに対して、板状の主端子の表面に多数の金属バンプを形成し、この金属バンプを介して導体板とパワー半導体素子の表面電極とを、超音波溶接によって接合する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。この手法では、多数の金属バンプが緩衝層となることによって、接合部にかかる応力を緩和している。
特開平８−８３９５号公報（第５頁、第１図） 特開２００５−１８３４９５号公報（第４頁、第１，４図）
しかしながら、従来のパワーモジュールでは、金属バンプを多数形成するため、金属バンプの高さの均一化が難しい。金属バンプの高さが均一ではないと、接合に寄与しない金属バンプが発生することや、接合強度の弱い金属バンプが一部発生することで、接合部全体の接合強度が低下するため、パワーモジュールの信頼性が低下するという問題点があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、安定した接合強度を確保することで、信頼性の向上が可能なパワーモジュールを得るものである。
この発明に係る半導体装置は、一方の面に電極部が形成された基材部と、前記基材部に対向させて配置された導体部と、前記電極部と前記導体部の前記一方の面に対向する面とに接合された配線部とを備えたものである。
この発明は、導体部と基材部との対向するそれぞれの面に接合された配線部を設け、導体部と基材部との線膨張係数差によって発生するひずみを配線部がたわむことで吸収する構造としたので、接合部に発生する応力を緩和することが可能となり、導体部と基材部との接合の信頼性が向上したパワーモジュールが得られる。
この発明の実施の形態１のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態１のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す斜視構造模式図である。 この発明の実施の形態１のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態３のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態４のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。 この発明の実施の形態５のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。 この発明の実施の形態６のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。 この発明の実施の形態９のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態１０のパワーモジュールの断面構造模式図である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１において、パワーモジュール１００は、放熱用金属ベース板１、第一の基材部である絶縁基板２、第二の基材部であるパワー半導体素子３、表面電極４、導体部である主端子５，１０、開口部である開口６、配線部であるボンディングリボン７、ケース８、封止樹脂１１を備える。
放熱用の金属ベース板１上に絶縁基板２がハンダ等（図示せず）で接合されている。絶縁基板２は、絶縁層２１と金属板２２，２３とを備えている。絶縁基板２は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスやエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅などの金属板２２、２３を張り合わせた構造となっている。図示しないが、表側の金属板２３には配線パターンが形成されている。この表側の金属板２３に、パワー半導体素子３がハンダ等（図示せず）で接合されている。
パワー半導体素子３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や還流ダイオードなどのパワー半導体素子が用いられる。パワー半導体素子３には、アルミニウムや銅などの表面電極４が形成されている。この表面電極４と主端子５とは、アルミニウム合金製もしくは銅合金製のボンディングリボン７を介して電気的に接続されている。本実施の形態１では、ボンディングリボン７を用いているが、ボンディングワイヤでも良い。また、ボンディングワイヤを用いる場合、ボンディングワイヤの直径は太いほうが良い。
主端子５は銅製の板状電極であり、パワー半導体素子３と対向する箇所に開口６が形成されている。ボンディングリボン７は、主端子５に形成された開口６をまたいでループ状に形成され、その両端を主端子５に超音波接合の一つである超音波溶接されている。また、ボンディングリボン７のループ部分は、パワー半導体素子３の表面電極４と超音波溶接されている。主端子５はケース８にインサート成形もしくはアウトサートされており、電流および電圧の入出力に用いられる。また、同様にケース８にインサート成形もしくはアウトサートされた別の主端子１０は、絶縁基板２の表側の金属板２２にハンダ等で接合されている。ケース８は、放熱用金属ベース板１に対して接着剤で接着されている。また、モジュール内部の絶縁性を確保する目的で、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁性の封止樹脂１１がケース８と放熱用金属ベース板１とで囲まれる領域内に充填されている。
図２は、この発明の実施の形態１のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す斜視構造模式図である。また、図３は、この発明の実施の形態１のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す断面構造模式図である。図２および図３は、特に、ボンディングリボン７を用いたパワー半導体素子３の表面電極４と、主端子５との接合工程について説明した図である。
本発明の実施の形態１によるパワーモジュールは、以下に説明する工程によって製造することができる。放熱用金属ベース板１、ハンダ、絶縁基板２、ハンダ、パワー半導体素子３を順に重ねてリフローハンダ付けすることで、放熱用金属ベース板１と絶縁基板２とパワー半導体素子３とをハンダ接合する。次に、ケース８を放熱用金属ベース板１に対して、接着剤で接着する。ケース８にはあらかじめ、次に示す工程により、ボンディングリボン７が超音波溶接された主端子５がインサート成形されている。
図２（ａ）に示すように、主端子５には開口６が形成されている。次に、図２（ｂ）および図３（ａ）に示すように、配線部を導体部に超音波接合を用いて接合する工程は、主端子５の開口６を跨ぐようにして、リボンボンディングを行い、ボンディングリボン７の両端を主端子５に超音波溶接する。リボンボンディングの形成には市販のリボンボンダーを用いればよい。
次に、主端子５に形成された開口６を跨ぐようにボンディングリボン７を超音波溶接した主端子５を、図２（ｃ）および図３（ｂ）に示すように、配線部を接合した面側が下面となるように導体部を回転させる工程は、主端子５のボンディングリボン７を超音波溶接した面側をパワー半導体素子３の表面電極４に対向させる。この状態で、ケース８と放熱用金属ベース板１との接着および、主端子１０と絶縁基板２とのハンダ接合を行う。
次に、図３（ｃ）に示すように、導体部は開口部を有し、開口部を通したボンディング冶具を用いて配線部を基材部に形成された電極部に超音波接合を用いて接合する工程は、ボンディング治具である超音波溶接ツール９のヘッド９１を開口６の内側に挿入し、ボンディングリボン７のループ部分と、パワー半導体素子３の表面電極４とを超音波溶接する。
次に、樹脂封止工程では、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁性の封止樹脂１１を注入硬化させて、ケース８と放熱用金属ベース板１とで囲まれた領域内部を封止する。これにより、絶縁基板２、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５，１０、開口６、およびボンディングリボン７が樹脂封止される。
以上の工程により、本実施の形態１によるパワーモジュールを製造することができる。このような工程により、ボンディングリボン７はパワー半導体素子３の表面電極４と直接、超音波溶接することができるため、安定した接合強度を確保することができる。
ここで、主端子５に形成する開口６の大きさは、パワー半導体素子３のサイズと電流容量、および超音波溶接ツール９のサイズによって決定すればよい。開口６の大きさは、超音波溶接ツール９のヘッド９１のサイズよりも大きく、超音波溶接時にヘッド９１と干渉しないようにする必要がある。パワー半導体素子３の電流定格により超音波溶接に必要な最小面積が決まるので、ヘッド９１のサイズはこの必要最小面積以上に設定すればよい。
また、パワー半導体素子３に最大定格電流が流れたときに、ボンディングリボン７での発熱によってパワー半導体素子３の温度が許容値を超えないようにボンディングリボン７の厚みと幅を決定する必要がある。開口６はプレス加工や切削加工によって形成すればよい。開口６の形状は図中では矩形としたが、必ずしも矩形に限定されるものではなく、超音波音波溶接ツール９のヘッド９１と干渉しない形状であればよい。さらに、接合形成方法として超音波溶接を用いたが、この方法に限定されるものではなく、使用する材料等に合わせて接合形成方法を適宜選択することが可能である。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた開口６を備えた主端子５の開口６をなくし、ボンディングリボン７の一端が主端子５のパワー半導体素子３と対向する面側に超音波溶接され、ボンディングリボン７の他端がパワー半導体素子３の表面電極４に超音波溶接された点が異なる。このようにボンディングリボン７の近傍を用いて接合したので、使用するボンディングリボン７の量を低減することができる。
図４は、この発明の実施の形態２のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。図４において、パワー半導体素子３と主端子５との接合部分は、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５、ボンディングリボン７を備える。主端子５には、開口６がなく、パワー半導体素子３の表面電極４を形成した面側と対向させて配置した。ボンディングリボン７の一端が主端子５のパワー半導体素子３と対向する面側に超音波溶接される。また、ボンディングリボン７の他端がパワー半導体素子３の表面電極４に超音波溶接される。
図５は、この発明の実施の形態２のパワーモジュールの電極部の製造方法を示す断面構造模式図である。図５（ａ）に示すように、配線部接合工程では、主端子５のパワー半導体素子３と対向させる面側に、ボンディングリボン７の一端を超音波溶接する。このとき、ボンディングリボン７の他端（もう一端）は、主端子５のパワー半導体素子３と対向させる面の裏面側から見て、主端子５と重ならない配置とする。次に、図５（ｂ）に示すように、ボンディングリボン７の一端を超音波溶接した主端子５を、ボンディングリボン７を超音波溶接した面とパワー半導体素子３の表面電極４とを対向させて配置する。次に、図５（ｃ）に示すように、配線部を基材部に形成された電極部に超音波接合を用いて接合する工程では、超音波溶接ツール９を用いて、ボンディングリボン７の主端子５と接合していない他端を、パワー半導体素子３の表面電極４と超音波溶接する。このようにして、本実施の形態２における主端子５とパワー半導体素子３の表面電極４とがボンディングリボン７によって接合される。また、接合形成方法として超音波溶接を用いたが、この方法に限定されるものではなく、使用する材料等に合わせて接合形成方法を適宜選択することが可能である。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５に開口６を形成する必要がなくなるため、主端子５を製造する上で材料利用効率が向上する。さらに、接合箇所数を削減することができるので、製造歩留まりの向上およびリードタイムの縮小ができる。また、主端子５とパワー半導体素子３との配置の自由度が増加するため、特に、パワー半導体素子３の表面電極４のサイズが小さい場合に、設計が容易となる。
さらに、主端子５とパワー半導体素子３との接合に用いるボンディングリボン７の長さを最小限にすることができるため、ボンディングリボン７における電気抵抗が小さくなり、通電時のボンディングリボン７における発熱量を小さくすることができるため、接合の信頼性が向上する効果がある。さらに、ボンディングリボン７の長さを最小限にすることができるため、パワー半導体素子３と主端子５との間の熱コンダクタンスが小さくなり、パワー半導体素子３における通電時の発熱はボンディングリボン７を経由して効率よく主端子５へと逃がすことができることから、パワー半導体素子３の温度上昇を抑制でき、接合の信頼性を向上することが可能となる。また、実施の形態1の場合に比べて、超音波溶接ツール９のヘッド９１のサイズの制限が緩和される。
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１で用いた主端子１０と絶縁基板２とをハンダ接合とした接合部分を、主端子５の場合と同様に、主端子１０に開口６を形成し、ボンディングリボン７を介して絶縁基板２と接合した点が異なる。このように、主端子５および主端子１０の接合を同一工程で形成することができ、工程数を削減できる。また、主端子１０と絶縁基板２との接合の信頼性を向上することができる。
図６は、この発明の実施の形態３のパワーモジュールの断面構造模式図である。図６において、パワーモジュール２００は、放熱用金属ベース板１、絶縁基板２、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５，１０、開口６、ボンディングリボン７、ケース８、封止樹脂１１を備える。実施の形態１である図１においては、主端子１０と絶縁基板２とはハンダによって接合したが、本実施の形態３においては、主端子５の場合と同様に、主端子１０に開口６を形成し、ボンディングリボン７を介して絶縁基板２と接合する構成とした。
放熱用金属ベース板１上に絶縁基板２がハンダ等（図示せず）で接合されている。絶縁基板２は、絶縁層２１と金属板２２，２３とを備えている。絶縁基板２は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスやエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅などの金属板２２、２３を張り合わせた構造となっている。図示しないが、表側の金属板２３には配線パターンが形成されている。この表側の金属板２３に、パワー半導体素子３がハンダ等（図示せず）で接合されている。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子１０にも開口６を設け、主端子１０と絶縁基板２との対向する面をボンディングリボン７により接合したので、主端子５および主端子１０の接合を同一工程で形成することができ、工程数を削減できる。また、主端子１０と絶縁基板２との接合の信頼性を向上することが可能となる。
実施の形態４．
本実施の形態４においては、実施の形態１で用いた主端子５の開口６を、複数個所形成し、ボンディングリボン７を介した接合箇所を複数とする構成とした点が異なる。このように接合箇所を増やすことで、パワー半導体素子３の電流密度を増加させることができる。また、パワー半導体素子３の電流密度が同じ場合では、各ボンディングリボン７に流れる電流密度を小さくすることができるため、接合の信頼性をさらに向上することが可能となる。
図７は、この発明の実施の形態４のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。図７において、パワー半導体素子３と主端子５との接合部分は、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５、開口６、ボンディングリボン７を備える。図７においては、パワー半導体素子３の表面電極４との接合箇所を２箇所としているが、接合箇所を２箇所以上にしてもよい。また、主端子５の長手方向に並べて複数の接合箇所を配置しているが、このような配置に制限されることはなく、パワー半導体素子３の表面電極４が存在する範囲内で、接合箇所や向きを任意に配置してもよい。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子５の開口６を複数個所とし、パワー半導体素子３の表面電極４との接合箇所を増やすことで、パワー半導体素子３の電流密度を増加させることができる。また、パワー半導体素子３の電流密度が同じ場合では、各ボンディングリボン７に流れる電流密度を小さくすることができるため、接合の信頼性をさらに向上させることが可能となる。
実施の形態５．
本実施の形態５においては、実施の形態４で用いた主端子５の開口６を複数個所形成し、主端子５との複数個所でのボンディングリボン７を介する接合を、ステッチ接続とした点が異なる。このように、ステッチ接続とすることで超音波溶接する箇所数が減少するため、工程のリードタイムを短縮することができる。
図８は、この発明の実施の形態５のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。図８において、パワー半導体素子３と主端子５との接合部分は、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５、開口６、ボンディングリボン７を備える。
図８においては、パワー半導体素子３の表面電極４との接合箇所を２箇所としているが、パワー半導体素子３の表面電極４との接合箇所を２箇所以上にしてもよい。また、複数個所のボンディングリボン７を介する接合を、ステッチ接続としたことにより、個々の開口６をまたいでボンディングリボン７を主端子５に接合する場合よりも、主端子５への超音波溶接する接合箇所を減少することができる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子５とボンディングリボン７との接合をステッチ接続としたので、超音波溶接する箇所数が減少するため、工程のリードタイムを短縮することが可能となる。
実施の形態６．
本実施の形態６においては、実施の形態４で用いた主端子５のパワー半導体素子３と対向する面内かつ、ボンディングリボン７を形成しない箇所にも１つ以上の開口１２を形成する構成とした点が異なる。このように、主端子５とパワー半導体素子３との間への封止樹脂１１の注入性を高めることができ、製造歩留まりを向上することができる。
図９は、この発明の実施の形態６のパワーモジュールの電極部の断面構造模式図である。図９において、パワー半導体素子３と主端子５との接合部分は、パワー半導体素子３、表面電極４、主端子５、開口６、ボンディングリボン７、開口１２を備える。主端子５のパワー半導体素子３と対向する面内かつ、ボンディングリボン７を形成しない箇所にも１つ以上の開口１２を形成する構成とした。このような構成とすることにより、主端子５とパワー半導体素子３との間への封止樹脂１１の注入性を高めることができ、製造歩留まりが向上することができる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子５のボンディングリボン７が跨いで形成されない開口６を１箇所以上設けたので、主端子５とパワー半導体素子３との間への封止樹脂１１の注入性を高めることができ、製造歩留まりを向上することが可能となる。
実施の形態７．
本実施の形態７においては、実施の形態４および５で用いた主端子５とパワー半導体素子３との接合を、接合箇所を複数としたように、実施の形態３における主端子１０と絶縁基板２との間の接合においても、接合箇所を複数とする構成とした点が異なる。このように、主端子１０と絶縁基板２との間の接合においても、接合の信頼性を向上することができる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子１０の開口６を複数個所設けたので、主端子１０と絶縁基板２との間の接合箇所が増加するので、主端子１０と絶縁基板２との接合においても、接合の信頼性を向上する効果がある。
実施の形態８．
本実施の形態８においては、実施の形態６で用いた主端子５とパワー半導体素子３との接合において、ボンディングリボン７を形成しない箇所にも１つ以上の開口１２を形成する構成としたが、実施の形態８における主端子１０と絶縁基板２との間の接合においても、ボンディングリボン７を形成しない箇所にも１つ以上の開口１２を形成する構成とした点が異なる。このように、主端子１０に開口１２を設けることで、主端子１０と絶縁基板２との間の接合においても、封止樹脂１１の注入性を向上することができる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、主端子１０のボンディングリボン７が跨いで形成されない開口１２を１箇所以上設けたので、主端子１０と絶縁基板２との間への封止樹脂１１の注入性を高めることができ、製造歩留まりを向上することが可能となる。
実施の形態９．
本実施の形態９においては、実施の形態１で用いた主端子５と接合するパワー半導体素子３を１つとした構成を、主端子５を複数のパワー半導体素子３に接合する構成とした点が異なる。
図１０は、この発明の実施の形態９のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１０において、パワーモジュール３００は、放熱用金属ベース板１、絶縁基板２、パワー半導体素子３１，３２、表面電極４、主端子５，１０、開口６、ボンディングリボン７、ケース８、封止樹脂１１を備える。ここでは、２つのパワー半導体素子３１および３２に接合した構成を図示した。
放熱用の金属ベース板１上に絶縁基板２がハンダ等（図示せず）で接合されている。絶縁基板２は、絶縁層２１と金属板２２，２３とを備えている。絶縁基板２は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスやエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅などの金属板２２、２３を張り合わせた構造となっている。図示しないが、表側の金属板２３には配線パターンが形成されている。この表側の金属板２３に、パワー半導体素子３１，３２がハンダ等（図示せず）で接合されている。
モータ駆動用等に用いられるパワーモジュールでは、その基本動作として電流および電圧のスイッチングを行う。モータなどの誘導性負荷に対してスイッチングする場合、還流ダイオードを逆並列に接続する必要がある。図８に示すように、２つのパワー半導体素子としてスイッチング素子３１と還流ダイオード３２を主端子５に対してそれぞれ接合することで、前記の回路が実現できる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、主端子５とパワー半導体素子３１，３２との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、主端子５とパワー半導体素子３１，３２との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、主端子５とパワー半導体素子３１，３２との接合部に発生する応力が緩和されるため、主端子５とパワー半導体素子３１，３２との剥離が抑制され、主端子５とパワー半導体素子３１，３２との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、主端子５とパワー半導体素子３１，３２とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
実施の形態１０．
本実施の形態１０においては、実施の形態１〜９で用いたケース型のパワーモジュールを、トランスファーモールド型のパワーモジュールとした点が異なる。このように、トランスファーモールド型としたことで、一括成形が可能となり製造コストが低減し、生産性を向上することが可能となる。
図１１は、この発明の実施の形態１０のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１１において、パワーモジュール４００は、絶縁基板２、パワー半導体素子３１，３２、表面電極４、開口６、ボンディングリボン７、ケース８、封止樹脂１１、リードフレーム１３を備える。主端子５および１０は、リードフレーム１３に置き換えられる。また、封止樹脂１１の注入工程は、トランスファーモールド樹脂１４による一括成形に置き換えられる。図１１では放熱用金属ベース板１がない構成としたが、ケース型同様に、放熱用金属ベース板１がある構成としてもよい。
絶縁基板２は、絶縁層２１と金属板２２，２３とを備えている。絶縁基板２は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスやエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅などの金属板２２、２３を張り合わせた構造となっている。図示しないが、表側の金属板２３には配線パターンが形成されている。この表側の金属板２３に、パワー半導体素子３１，３２がハンダ等（図示せず）で接合されている。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との接合部に発生する応力が緩和されるため、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との剥離が抑制され、リードフレーム１３とパワー半導体素子３との接合の信頼性を向上することが可能となる。
また、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２とを可能な限り最短距離で接合することが可能となり、パワーモジュール通電時のボンディングリボン７における電気抵抗を小さくすることができる。その結果、通電時のボンディングリボン７における発熱量が小さくなり、パワーモジュールの温度上昇が抑制されることで、パワーモジュールの大電流化が可能となる。
さらに、トランスファーモールド成形としたので、一括成形が可能となり製造コストが低減し、生産性を向上することが可能となる。
１ 放熱用金属ベース板、２ 絶縁基板、３ パワー半導体素子、４ 表面電極、５，１０ 主端子、６，１２ 開口、７ ボンディングリボン、８ ケース、９ 超音波溶接ツール、１１ 封止樹脂、１３ リードフレーム、１４ トランスファーモールド樹脂、２１ 絶縁層、２２，２３ 金属板、３１ スイッチング素子、３２ 還流ダイオード、９１ ヘッド、１００，２００，３００，４００ パワーモジュール。
そして、モジュール内部に実装されたパワー半導体素子は、主電極と接続されている。このパワー半導体素子と主電極との接続には、ワイヤが用いられている。ワイヤとしては、一般的には線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製の線材が用いられている。
この発明に係るパワーモジュールは、一方の面に電極部が形成された基材部と、前記基材部に対向させて配置された導体部と、前記電極部と前記導体部の前記一方の面に対向する面とに接合された配線部とを備えたものである。導体部は、開口部を有し、配線部は開口部を跨いで、両端が導体部と接合され、開口部に対応する位置で一部が電極部に接合されている。
さらに、主端子５のボンディングリボン７が跨いで形成されない開口１２を１箇所以上設けたので、主端子５とパワー半導体素子３との間への封止樹脂１１の注入性を高めることができ、製造歩留まりを向上することが可能となる。
モータ駆動用等に用いられるパワーモジュールでは、その基本動作として電流および電圧のスイッチングを行う。モータなどの誘導性負荷に対してスイッチングする場合、還流ダイオードを逆並列に接続する必要がある。図１０に示すように、２つのパワー半導体素子としてスイッチング素子３１と還流ダイオード３２を主端子５に対してそれぞれ接合することで、前記の回路が実現できる。
図１１は、この発明の実施の形態１０のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１１において、パワーモジュール４００は、絶縁基板２、パワー半導体素子３１，３２、表面電極４、開口６、ボンディングリボン７、リードフレーム１３を備える。主端子５および１０は、リードフレーム１３に置き換えられる。また、封止樹脂１１の注入工程は、トランスファーモールド樹脂１４による一括成形に置き換えられる。図１１では放熱用金属ベース板１がない構成としたが、ケース型同様に、放熱用金属ベース板１がある構成としてもよい。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との対向する面をボンディングリボン７で接合したので、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との線膨張係数差によって発生するひずみを、ボンディングリボン７がたわむことで吸収することができる。その結果、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との接合部に発生する応力が緩和されるため、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との剥離が抑制され、リードフレーム１３とパワー半導体素子３１，３２との接合の信頼性を向上することが可能となる。

Claims (17)

  1. 一方の面に電極部が形成された基材部と、
    前記基材部に対向させて配置された導体部と、
    前記電極部と前記導体部の前記一方の面に対向する面とに接続された配線部と、
    を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記配線部は、前記配線部の一端が前記電極部と接合され、前記配線部の他端が前記導体部の前記一方の面と対向する面に接合されたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記導体部は、開口部を有し、前記開口部に対応する位置で前記配線部の他端が前記電極部に接合されたことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記導体部は、開口部を有し、前記配線部は前記開口部を跨いで、両端が前記導体部と接合され、前記開口部に対応する位置で一部が前記電極部に接合されたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  5. 前記開口部は、前記導体部に複数設けられたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のパワーモジュール。
  6. 前記導体部は、前記複数の開口部を跨いで前記配線部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
  7. 前記導体部は、前記配線部が跨いで形成されていない前記開口部を有することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
  8. 前記基材部は、第一の基材部と第二の基材部とを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  9. 複数の前記第二の基材部を有することを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール。
  10. 前記第一の基材部は、絶縁基板であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のパワーモジュール。
  11. 前記第二の基材部は、半導体素子であることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  12. 前記基材部、前記導電部、および前記帯状導電部がケースを用いて樹脂封止されたことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  13. 前記基材部、前記導電部、および前記帯状導電部がトランスファーモールド樹脂を用いて封止されたことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  14. 前記配線部は、ワイヤまたはリボンであることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  15. 配線部を導体部に超音波接合を用いて接合する工程と、前記配線部を接合した面側が下面となるように前記導体部を回転させる工程と、前記配線部を基材部に形成された電極部に超音波接合を用いて接合する工程と、
    を備えたことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  16. 前記導体部は開口部を有し、前記開口部を通したボンディング冶具を用いて前記配線部を前記基材部に形成された前記電極部に超音波接合を用いて接合する工程とを特徴とする請求項１５に記載のパワーモジュールの製造方法。
  17. 前記配線部は、ワイヤまたはリボンであることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載のパワーモジュールの製造方法。
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