WO2015064231A1 - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

　ピン接合を利用した半導体モジュールの冷却能力を向上させる。　半導体素子１に接続されたピン４と、上下面に第２金属箔５ｃ、第１金属箔５ｂを備えており、かつ第１金属箔５ｂと第２金属箔５ｃとピン４とが電気的に接合しているピン配線基板５と、ピン４と半導体素子１を接合したハンダ３ｃと、上下面に第３金属箔２ｂ、第４金属箔２ｃを備えており、第３金属箔２ｂが半導体素子１の下面に接合されているＤＣＢ基板２と、第４金属箔２ｃに接続された第１冷却器６とを備えた半導体モジュールであって、ハンダの高さＨと、半導体素子１から第１金属箔５ｂまでの間の距離Ｔとの比であるＨ／Ｔが０．２以上、０．７以下の範囲内である。

Description

半導体モジュール
　本発明は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールに関する。
　ピン接合を利用した半導体モジュールを開示した文献として、次の特許文献１、２の半導体モジュールが知られている。
　特許文献１の図１には、プリント基板に突き刺されたインプラントピンと半導体素子とを電気的に接合した構造が開示されている。
　特許文献２の図７、８、１１には、半導体素子と複数のポスト電極がハンダで接合されていることが開示されている。
ＷＯ２０１１/０８３７３７号公報 特開２００９－６４８５２号公報
　特許文献１や２は、長期間の使用によりワイヤーフレームと電極との間の剥離現象を抑制する対策として考え出されたピン接合構造の半導体モジュールを開示する文献であるが、該半導体モジュールの構造は、冷却を半導体素子の片面のみから行う構造のため冷却能力が低く、半導体素子の能力を十分に発揮させることが難しいという問題点があった。
　上記の課題を解決するべく、本発明は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールを提供することを目的とする。
　発明者は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、ピンと半導体素子を接合するハンダの厚さを最適化することで、半導体モジュールの冷却能力が向上できることを見出し、本発明に至った。
　上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に電気的および熱的に接続されたピンと、ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記第２金属箔と前記ピンとが電気的に接合しているピン配線基板と、前記ピンと前記半導体素子を接合したハンダと、セラミック絶縁基板、前記セラミック絶縁基板の上面に配置した第３金属箔、および前記セラミック絶縁基板の下面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔が前記半導体素子の下面に接合されているＤＣＢ基板と、前記第４金属箔に熱的に接続された第１冷却器とを備えた半導体モジュールであって、前記ハンダの高さＨと、前記半導体素子から前記ピン配線用絶縁基板の前記第１金属箔までの間の距離Ｔとの比であるＨ／Ｔが０．２以上、０．７以下であることを特徴とする。
　本発明の半導体モジュールにおいて、ハンダの線膨張係数は２２．０ｐｐｍ／Ｋ未満であることが好ましい。
　本発明の半導体モジュールにおいて、前記ハンダはＳｎＳｂ系ハンダであることが好ましい。
　本発明の半導体モジュールにおいて、前記ＳｎＳｂ系ハンダは、主成分としてＳｂを１３質量％含有することが好ましい。
　また、本発明の半導体モジュールにおいて、前記ハンダとしてＳｎＡｇ系ハンダを用いることができる。
　本発明によれば、半導体素子で発生する熱を、半導体素子表面にハンダ付けによってピン接合したピン配線基板、及び半導体素子裏面にハンダ接合したセラミック絶縁基板の両方に伝熱することによって、冷却能力を高めることができる。また、前記ピン接合において、ハンダ高さＨと半導体素子から第１金属箔までの間の距離Ｔとの比（Ｈ／Ｔ）を０．２以上０．７以下としたことにより、ハンダの蓄熱効果によって伝熱の過渡現象を緩和し、半導体素子表面の温度上昇を抑制できる。
本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面模式図である。 ハンダ高さと半導体素子最高温度Ｔｊの関係を示す図である。 ハンダ高さと半導体素子最高温度Ｔｊの低減率の関係を示す図である。 ハンダ高さと半導体素子にかかる応力の関係を示す図である。 ハンダ高さ比と半導体素子最高温度Ｔｊの低減率の関係を示す図である。 ハンダ高さ比と半導体素子にかかる応力の低減率の関係を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュールの実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
　まず、半導体モジュールの構造について説明する。
　図１には本発明による半導体モジュール１００の断面模式図が示されている。半導体モジュール１００は、半導体素子１、ＤＣＢ基板２、セラミック絶縁基板２ａ、第３金属箔２ｂ、第４金属箔２ｃ、ハンダ３ａ、ハンダ３ｂ、ハンダ３ｃ、ピン４、ピン配線基板５、ピン配線用絶縁基板５ａ、第１ 金属箔(回路層)５ｂ、第２金属箔５ｃ、第１冷却器６、第１冷媒通路６ａ、フィン６ｂ、外部端子７ａ、外部端子７ｂ、封止樹脂８を備える。
　半導体素子１は、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）であってもよく、これらを１つの半導体素子の中で縦方向に形成されたＲＢ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｂｌｏｃｋｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。
　ピン配線基板５は、ピン配線用絶縁基板５ａ、第１金属箔（回路層）５ｂ、第２金属箔５ｃからなり、第１金属箔（回路層）５ｂが半導体素子１に対向するように配置されている。ピン配線用絶縁基板５ａは、特に限定されないが、誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えばポリイミド樹脂やガラスエポキシ樹脂を使用することができる。なお、ピン配線用基板５は必ずしもプリント基板である必要はなく、例えば銅の薄板であっても良い。第１金属箔（回路層）５ｂと第２金属箔５ｃは、特に限定されないが、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば銅を使用することができる。
　ピン４は、特に限定されないが、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属、具体的には銅が好ましい。ピン４の一端はハンダ３ｃによって半導体素子１の上面にハンダ接合され、他端はピン配線基板５を貫通して、第１金属箔(回路層)５ｂ及び第２金属箔５ｃに接合されている。上記構造によれば、ピン４を半導体素子１及びピン配線基板５に強固に固定でき、半導体素子１で発生する熱はピン４を介して第２金属箔５ｃに熱を伝えることができ、半導体モジュール１００の冷却効率を高めることができる。また、ピン４は、１つの半導体素子１に対して複数のピンを配置することが好ましい。こうすることによって、電気抵抗を減らすと共に、熱伝導性能を向上できる。
　第１冷却器６は、内部が空洞であり、複数のフィン６ｂを備えている。フィン６ｂの間が冷媒通路６ａになっている。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール水溶液や水などの液体冷媒を用いることもできるし、空気のような気体冷媒を用いることもできるし、フロンのように冷却器で蒸発して気化熱で冷却器を冷やす相変化可能な冷媒を用いることもできる。
　ＤＣＢ基板２は、セラミック絶縁基板２ａと第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃからなり、セラミック絶縁基板２ａの上面に第３金属箔２ｂが配置され、セラミック絶縁基板２ａの下面に第４金属箔２ｃが配置されている。ＤＣＢ基板２の第３金属箔２ｂは、半導体素子１の下面に接合されている。ＤＣＢとは、Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｂｏｎｄｉｎｇの略であり、セラミック絶縁基板に銅などの金属箔が直接接合されている。セラミック絶縁基板２ａが絶縁性のため、第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃとは電気的に絶縁されている。なお、セラミック絶縁基板２ａの材質は、特に限定されないが、熱伝導率の高い材料であることが好ましく、例えばＳｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３を用いることができる。
　ハンダ３ａは、半導体素子１の下面と第３金属箔２ｂを接続して電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｂは、ＤＣＢ基板２の第４金属箔２ｃと第１冷却器６の外壁とを接続しており、半導体素子１からＤＣＢ基板２に伝わった熱を第１冷却器６に伝熱している。
　外部端子７ａ、７ｂは、半導体素子１と外部との間を導通させる端子であり、主電力が導通される。外部端子７ａ、７ｂは、ＤＣＢ基板２の第３金属箔２ｂにハンダで電気的に接続され、上面から外部に導出されている。半導体モジュール１００は、図示していない制御端子を備えている。制御端子は、半導体素子１を制御するための端子であり、外部から半導体素子１が制御される。
　封止樹脂８は、半導体モジュール１００の第１冷却器６、及び第１冷却器６の第４金属箔２ｃとの接合面と、外部端子７ａ，７ｂの外部に導出される領域と、図示していない制御端子の外部に導出される領域とを除いて封止樹脂で封止されている。封止樹脂８は、所定の絶縁性能があり、成形性がよいものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂などが好適に用いられる。
　図１に示した半導体モジュールは半導体素子を１個しか持たないが、半導体素子１、ピン４の組を複数備えている構造にしてもよい。半導体素子１を複数並列接続で並べることで半導体モジュールの処理できる定格出力を増加できる。また、複数の半導体素子１の種類をそれぞれ異なる種類の半導体素子に変えてもよい。例えば、ＩＧＢＴとＦＷＤを並列接続にする構造としてもよい。
　次に、半導体素子１とピン４との接合部の詳細、及びその作用効果について説明する。
　ピン４は、半導体素子１の上面にハンダ３ｃによってハンダ接合されている。ハンダ３ｃの表面と、ピン配線基板５の第１金属箔（回路層）５ｂとの間には、間隙が設けられている。
　ここでハンダの高さをＨとし、半導体素子からピン配線用絶縁基板の前記第１金属箔までの間の距離をＴとする。ピンとハンダとの界面の端の部分は、ハンダがピンの周囲に上がる場合がある。前記ハンダの高さＨとは、前記半導体素子とハンダとの界面から前記ハンダの上面の最下面までの高さのことである。前記ピンが複数存在するときには、前記ハンダの高さＨとは、前記半導体素子とハンダとの界面からピンとピンの間のハンダの上面の最下面までの高さのことである。
　本願の半導体モジュールにおいて、前記ハンダの高さＨと、前記半導体素子から前記ピン配線用絶縁基板の前記第１金属箔までの間の距離Ｔとの比Ｈ／Ｔは、０．２以上、０．７以下であることが好ましい。Ｈ／Ｔが０．２未満だと過渡熱状態における前記ハンダの蓄熱効果が十分でなく、半導体素子最高温度Ｔｊが安全温度範囲を超えてしまう。０．７より高いと半導体素子へかかる応力が大きくなり過ぎ、高温動作試験や熱サイクル試験で破壊するものがあらわれる。
　このような構成によれば、ハンダの高さＨと、前記半導体素子から前記ピン配線用絶縁基板の前記第１金属箔までの距離Ｔとの比であるＨ／Ｔが、０．２以上、０．７以下の範囲内であるため、前記ハンダの蓄熱効果で過渡熱状態での半導体素子最高温度Ｔｊを低減することができ、かつ、半導体素子への応力を低減できる。
　また、上記の半導体モジュールにおいて、前記Ｈ／Ｔが０．２６以上、０．５３以下の範囲内であることがより望ましい。このような構成によれば、半導体モジュールの冷却能力をより向上でき、半導体素子にかかる応力も低減でき、半導体モジュールの寿命を向上できる。
　また、上記の半導体モジュールにおいて、前記ハンダの線膨張係数が２２．０ｐｐｍ／Ｋ未満であることが望ましい。さらに、前記ハンダの線膨張係数が２１．２ｐｐｍ／Ｋ以下であることがより望ましい。ハンダの線膨張係数が２２．０ｐｐｍ／Ｋ以上の場合、半導体素子が発熱した際に、ピンとハンダとの線膨張係数の違いによって熱応力が発生し、半導体素子に熱応力が加わり易くなる。
　このような構成によれば、ハンダの線膨張係数をピンの線膨張係数に近づけることができ、半導体素子にかかる熱応力を低減できる。ピンの材質は、熱伝導率が高くハンダの線膨張係数により近い金属であれば特に限定されないが、熱伝導率の高い銅を用いることが望ましい。前記ハンダは、具体的にはＳｎＳｂ系ハンダやＳｎＡｇ系ハンダを好適に用いることができる。ＳｎＳｂ系ハンダは、主成分がＳｎ１３Ｓｂであることが望ましい。Ｓｎ１３Ｓｂハンダは、線膨張係数が２１．２ｐｐｍ／Ｋ以下であるので半導体素子にかかる熱応力を低減できる。
　本発明の作用効果は、熱シミュレーションおよび熱応力シミュレーションによって検証することができる。以下、図１に示される半導体モジュールのシミュレーション結果について説明する。
　図２に、ハンダ高さＨと半導体素子最高温度Ｔｊの関係を示す。ハンダ高さＨが高いほど半導体素子１の動作時の半導体素子最高温度Ｔｊを低減できることがわかる。
　図３は、図２から換算して得られる、ハンダ高さと半導体素子最高温度Ｔｊの低減率の関係を示す図である。ハンダ高さＨを増やすことで最大９％強の温度低減効果があることがわかる。
　図４は、ハンダ高さＨと半導体素子１にかかる応力の関係を示す図である。ハンダ高さＨを高くするとチップ応力が増加し、２４０ＭＰａを超えることがわかる。
　図５は、ハンダ高さ比Ｈ／Ｔと半導体素子最高温度Ｔｊの低減率の関係を示す図であり、図６は、ハンダ高さ比Ｈ／Ｔと半導体素子１にかかる応力の低減率の関係を示す図である。ハンダ高さ比Ｈ／Ｔが０．２以上では、半導体素子最高温度Ｔｊを２％以上低減することができ、安全温度範囲を４℃拡大することができる。また、ハンダ高さ比Ｈ／Ｔが０．７以下では、応力を６％以上低減することができ、高温動作試験で故障率が改善される。
　以上のように、本発明の実施例によれば、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールを提供できる。
１ 半導体素子
２ ＤＣＢ基板
２ａ セラミック絶縁基板
２ｂ 第３金属箔
２ｃ 第４金属箔
３ａ，３ｂ，３ｃ ハンダ
４ ピン
５ ピン配線基板
５ａ ピン配線用絶縁基板
５ｂ 第１金属箔(回路層)
５ｃ 第２金属箔
６ 第１冷却器
６ａ 第１冷媒通路
６ｂ フィン
７ａ，７ｂ 外部端子
８ 封止樹脂
１００ 半導体モジュール

Claims (5)

  1. 　半導体素子と、
    　前記半導体素子の一方の面に電気的および熱的に接続されたピンと、
    　ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記第２金属箔と前記ピンとが電気的に接合しているピン配線基板と、
    　前記ピンと前記半導体素子を接合したハンダと、
    　セラミック絶縁基板、前記セラミック絶縁基板の上面に配置した第３金属箔、および前記セラミック絶縁基板の下面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔が前記半導体素子の下面に接合されているＤＣＢ基板と、
    　前記第４金属箔に熱的に接続された第１冷却器と、
    を備えた半導体モジュールであって、
    　前記ハンダの高さＨと、前記半導体素子から前記ピン配線用絶縁基板の前記第１金属箔までの間の距離Ｔとの比であるＨ／Ｔが０．２以上、０．７以下の範囲内であることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　前記ハンダの線膨張係数が２２．０ｐｐｍ／Ｋ未満である請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 　前記ハンダは、ＳｎＳｂ系ハンダである請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  4. 　前記ＳｎＳｂ系ハンダは、主成分としてＳｂを１３質量％含有する請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 　前記ハンダは、ＳｎＡｇ系ハンダである請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
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