WO2020195142A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

パワー半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2020195142A1
WO2020195142A1 PCT/JP2020/003318 JP2020003318W WO2020195142A1 WO 2020195142 A1 WO2020195142 A1 WO 2020195142A1 JP 2020003318 W JP2020003318 W JP 2020003318W WO 2020195142 A1 WO2020195142 A1 WO 2020195142A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power semiconductor
semiconductor element
conductor
semiconductor device
insulating substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2020/003318
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
ひろみ 島津
晃 松下
加藤　徹
英一 井出
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Automotive Systems Ltd filed Critical Hitachi Automotive Systems Ltd
Publication of WO2020195142A1 publication Critical patent/WO2020195142A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/071—Connecting or disconnecting
    • H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
    • H10W72/07351—Connecting or disconnecting of die-attach connectors characterised by changes in properties of the die-attach connectors during connecting
    • H10W72/07354—Connecting or disconnecting of die-attach connectors characterised by changes in properties of the die-attach connectors during connecting changes in dispositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/30—Die-attach connectors
    • H10W72/341—Dispositions of die-attach connectors, e.g. layouts
    • H10W72/347—Dispositions of multiple die-attach connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
    • H10W90/753—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between laterally-adjacent chips

Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor device.
  • Power semiconductor devices are applied to power conversion devices that control motors for driving vehicles. It is also applied not only to vehicle driving but also to power conversion devices that control motors of railways, elevators, industrial equipment, aircraft, and the like.
  • Patent Document 1 discloses a power semiconductor device that cools a plurality of semiconductor elements constituting the upper and lower arms of the power conversion device from both sides.
  • thermal warpage may occur in the laminated structure portion with the insulating substrate, causing peeling or the like in the laminated structure portion, which may reduce reliability.
  • the power semiconductor device is connected to the first semiconductor element and the second semiconductor element, and the first semiconductor element and the second semiconductor element are arranged side by side so as to be separated from each other with a gap region between them.
  • a first insulating substrate to be laminated is provided, and the first conductor has a penetrating portion formed in a portion corresponding to the gap region.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100.
  • FIG. 2 is a developed perspective view of the power semiconductor device 100.
  • FIG. 3 is an external view of the power semiconductor device 100. Note that FIG. 1 shows a cross-sectional view taken along the line AA'in FIG.
  • the power semiconductor element 1a and the power semiconductor element 1b are arranged side by side. That is, the power semiconductor element 1a and the power semiconductor element 1b are arranged side by side so as to be separated from each other with the gap region 30 interposed therebetween.
  • Each electrode of the power semiconductor element 1a and the power semiconductor element 1b is sandwiched between the first conductor 3 and the second conductor 4 arranged so as to face each electrode surface.
  • the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b are joined to the first conductor 3 and the second conductor 4 by connecting materials 2a and 2b, respectively.
  • the first conductor 3 and the second conductor 4 are formed of, for example, copper, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • the connecting materials 2a and 2b are formed of a solder material, a sintered material, or the like.
  • the first conductor 3 has a penetrating portion 3a formed in a portion corresponding to the gap region 30. Further, a wiring board 11 is provided between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b on the second conductor 4, that is, in the gap region 30.
  • the wiring substrate 11 has, for example, a pattern wiring in which a copper electrode is provided on a glass epoxy resin, and is electrically connected to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b by a wiring 12.
  • a wiring 12 for example, an aluminum wire or a copper wire can be used.
  • the insulating substrate 50 is laminated on the surface opposite to the surface of the first conductor 3 connected to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • the insulating substrate 50 is composed of an insulating member 50a, a first conductor layer 50b, and a second conductor layer 50c.
  • the first conductor layer 50b is arranged on one surface of the insulating member 50a, and the second conductor layer 50c is arranged on the other surface.
  • the surface of the first conductor 3 opposite to the surface connected to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b is connected to the first conductor layer 50b via the connecting material 6.
  • the second conductor layer 50c is connected to the heat radiating member 8 via the connecting material 7.
  • a heat radiating fin 9 is formed on the surface of the heat radiating member 8.
  • the insulating substrate 5 is laminated on the second conductor 4.
  • the insulating substrate 5 is composed of an insulating member 5a, a first conductor layer 5b, and a second conductor layer 5c.
  • the first conductor layer 5b is arranged on one surface of the insulating member 5a, and the second conductor layer 5c is arranged on the other surface.
  • the surface of the second conductor 4 opposite to the surface connected to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b is connected to the first conductor layer 5b via the connecting material 6.
  • the second conductor layer 5c is connected to the heat radiating member 8 via the connecting material 7.
  • a heat radiating fin 9 is formed on the surface of the heat radiating member 8.
  • the insulating member 5a and the insulating member 50a conduct the heat generated from the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b to the heat radiating member 8, and have high thermal conductivity and high insulation withstand voltage.
  • a ceramic material is used as the material.
  • ceramic materials such as aluminum oxide (alumina), aluminum nitride, and silicon nitride are used.
  • the connecting material 6 and the connecting material 7 are formed of a solder material, a sintered material, or the like.
  • the heat radiating member 8 and the heat radiating fin 9 are members having electrical conductivity, for example, a composite material such as Cu, Cu alloy, Cu-C, Cu-CuO, or a composite material such as Al, Al alloy, AlSiC, Al-C, etc. Is formed from.
  • first power semiconductor elements 1a and five second power semiconductor elements 1b are provided in one row, and two rows are provided in parallel.
  • Two first conductors 3, two second conductors 4, and two wiring boards 11 are provided corresponding to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b provided in parallel in two rows.
  • a penetrating portion 3a is provided in the first conductor 3 corresponding to the gap region between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b shown by AA in FIG. ..
  • the terminal 14 shown in FIG. 2 is connected to the first conductor layer 5b of the insulating substrate 5 and the first conductor layer 50b of the insulating substrate 50.
  • FIG. 3 is an external view of the power semiconductor device 100. As shown in FIG. 3, except for the heat radiating surface 8a and the terminal 14 on which the heat radiating fins 9 are formed, the heat radiating surface 8a and the terminal 14 are sealed with the sealing resin 10.
  • FIG. 4 is a top view showing the first conductor 3. That is, it is a top view of only the first conductor 3 taken out and viewed from the connection surface side with the insulating substrate 50.
  • the first conductor 3 is provided with a penetrating portion 3a.
  • the penetrating portion 3a is provided elongated along the arrangement direction of the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • the position of the penetrating portion 3a corresponds to the gap region 30 between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b, that is, the wiring substrate between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b. It is provided at a position facing the 11.
  • the joint area between the insulating substrate 5 and the first conductor 3 can be reduced.
  • the length of the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b in the arrangement direction is L10 and the length of the penetrating portion 3a is L11, it is desirable that L11 ⁇ L10.
  • 5 to 8 are diagrams showing a manufacturing process of the power semiconductor device 100.
  • the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b are connected to the second conductor 4 via a connecting material 2a.
  • a wiring board 11 is provided on the second conductor 4, and a first power semiconductor element 1a and a second power semiconductor element 1b are arranged so as to sandwich the wiring board 11.
  • the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b are each connected to the pattern wiring on the wiring board 11 by the wiring 12.
  • the second conductor 4 is formed of, for example, copper, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • the connecting material 2a is formed of a solder material, a sintered material, or the like.
  • the first conductor 3 is placed on the surface opposite to the surface of the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b to which the second conductor 4 is connected via the connecting material 2b.
  • the first conductor 3 is formed of, for example, copper, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • the connecting material 2b is formed of a solder material, a sintered material, or the like.
  • the first conductor 3 and the second conductor 4 are connected to the first conductor layer 50b of the insulating substrate 50 and the first conductor layer 5b of the insulating substrate 5 via the connecting material 6, respectively.
  • the first conductor layer 5b is arranged on one surface of the insulating member 5a, and the second conductor layer 5c is arranged on the other surface.
  • the insulating substrate 50 and the insulating substrate 5 may be connected to the first conductor 3 and the second conductor 4 at the same time. By connecting at the same time, symmetry can be maintained and warpage deformation during assembly can be suppressed.
  • the heat radiating member 8 is connected to the insulating substrate 50 and the insulating substrate 5 via the connecting material 7. At this time, the heat radiating members 8 on both sides may be connected at the same time. By connecting at the same time, it is possible to suppress warpage deformation during assembly. Heat dissipation fins 9 are formed on the surface of the heat dissipation member 8. Finally, the heat radiating surface 8a on which the heat radiating fins 9 of the heat radiating member 8 are formed is sealed with the sealing resin 10.
  • the wiring board 11 is provided between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • the distance between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b becomes longer.
  • the first power is provided by providing the penetrating portion 3a at a position facing the wiring board 11 between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b of the first conductor 3.
  • the lengths L1 and L2 in which only the first conductor 3 is connected to the insulating substrate 50, which is an insulating substrate, can be shortened.
  • the region where only the first conductor 3 is connected to the insulating substrate 50 is reduced, so that thermal warpage can be suppressed, and the connecting material 2b at the interface between the first power semiconductor element 1a and the second conductor and the second
  • the stress generated in the connecting material 2b at the interface between the power semiconductor element 1b and the second conductor is also reduced. Therefore, it is possible to prevent cracks and peeling of the laminated structure of the first conductor 3 and the insulating substrate 50, and it is possible to provide a highly reliable power semiconductor device.
  • the power semiconductor device 100 when the power semiconductor device 100 is installed and used in a vehicle or the like, the power semiconductor device 100 repeatedly operates and stops, and as a result, repeatedly generates heat and cools. Since the power semiconductor device 100 repeatedly applies a large strain to the laminated portion of the insulating substrate and the conductor, there is a concern that the laminated portion may be peeled off.
  • the penetrating portion 3a is provided at a position facing the wiring board 11 between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b of the first conductor 3. As a result, the stress that occurs repeatedly is reduced, and the fatigue life is improved. As a result, a highly reliable power semiconductor device 100 can be realized.
  • the shape of the heat radiating fin 9 of the heat radiating member 8 has been described with the example of a pin fin, other shapes such as straight fins and corrugated fins may be used.
  • the sealing resin 10 includes the heat radiating member 8 and the heat radiating surface 8a is sealed, but the insulating substrate 5 may be resin-sealed. In this case, if the second conductor layer 50c of the insulating substrate 50 and the heat radiating member 8 are connected and the second conductor layer 5c of the insulating substrate 5 and the heat radiating member 8 are connected, the same effect can be obtained.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 similar to that shown in FIG.
  • the width of the penetrating portion is L3 and the width of the wiring board 11 is L4, it is desirable that L3 ⁇ L4.
  • the distance between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b is L5. That is, when the side surface of the first power semiconductor element 1a on the wiring board 11 side is 1c and the side surface of the second power semiconductor element 1b on the wiring board side is 1d, the distance between the side surface 1c and the side surface 1d is L5. , L3 ⁇ L5.
  • the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor elements 1b are provided, but the first power semiconductor element 1a and the second power It is sufficient that there is one or more semiconductor elements 1b each.
  • the penetrating portion 3a may be provided at least between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b. This has the same effect.
  • FIG. 10 is a top view showing the first conductor 3'.
  • the cross-sectional view of the power semiconductor device 100 in AA'in FIG. 10 including the first conductor 3' is the same as that in FIG. 1, and the developed perspective view of the power semiconductor device 100 including the first conductor 3'is shown in FIG. It is the same as 2.
  • the first conductor 3'in the present embodiment is provided with a penetrating portion 3a'between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • a plurality of penetrating portions 3a' are provided in the arrangement direction of the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • a connecting portion 3b'connecting between the first power semiconductor element side and the second power semiconductor element side of the first conductor 3' is provided at intervals of each first power semiconductor element 1a and each second power semiconductor element 1b.
  • the length of the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b in the arrangement direction is L10'and the length of the penetrating portion 3a is L11', it is desirable that L11' ⁇ L10'. According to this embodiment, in addition to having the effect described in the first embodiment, an effect of reducing the electric resistance in the first conductor 3'can be obtained.
  • FIG. 11 is a top view showing the first conductor 3 ′′.
  • the cross-sectional view of the power semiconductor device 100 in AA'in FIG. 11 including the first conductor 3 ′′ is the same as that in FIG. 1, and a developed perspective view of the power semiconductor device 100 including the first conductor 3 ′′. Is the same as in FIG.
  • the first conductor 3 ′′ in the present embodiment is provided with a connecting portion 3b ′′ connecting between the first power semiconductor element side and the second power semiconductor element side at only one place. There is.
  • a penetrating portion 3a'' is formed between the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b excluding the connecting portion 3b''.
  • the bonding area of the first conductor 3 ′′ connected to the insulating substrate 50 can be reduced, and the first conductor 3 ′′ can be made smaller. 3e on the 1-power semiconductor element side and 3f on the 2nd power semiconductor element side of the 1st conductor 3 ′′ can be freely deformed. Therefore, the thermal warpage of the laminated structure of the first conductor 3'' and the insulating substrate 50 can be further suppressed, and cracks and peeling of the laminated structure of the first conductor 3'' and the insulating substrate 50 can be prevented. It is possible to provide a highly reliable power semiconductor device.
  • the number of parts is reduced by connecting the first conductor 3'' at at least one place instead of completely dividing it into two by 3e on the first power semiconductor element side and 3f on the second power semiconductor element side. Further, the height adjustment when connecting the first conductor 3'' and the insulating substrate 50 becomes easy.
  • the sealing resin includes the heat radiating member 8 and the heat radiating surface 8a is sealed.
  • the insulating substrates 5 and 50 may have a sealed structure. If the second conductor layers 5c and 50c of the insulating substrates 5 and 50 and the heat radiating member 8 are connected, the same effect can be obtained. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the structure may be such that the heat radiation fins 9 are directly provided on the second conductor layers 5c and 50c. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the power semiconductor device 100 includes a first power semiconductor element 1a and a second power semiconductor element 1b arranged side by side so as to be separated from each other with a gap region 30 interposed therebetween, and a first power semiconductor element 1a and a second power semiconductor element. Connected to the first conductor 3 and the second conductor 4 connected to 1b and arranged so as to sandwich the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b, and connected to the first power semiconductor element 1a and the second power semiconductor element 1b.
  • An insulating substrate 5 laminated on a surface opposite to the surface of the first conductor 3 is provided, and the first conductor 3 has a penetrating portion 3a formed in a portion corresponding to the gap region 30.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other embodiments considered within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention as long as the features of the present invention are not impaired. .. Further, the configuration may be a combination of the above-described embodiments.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

第１導体３には、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成されている。第１導体３には、絶縁基板５０が積層される。第１導体３に貫通部３ａをもうけることにより、絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される領域が減少するため、熱反りを抑制することができ、第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに発生する応力も低減される。したがって、第１導体３と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。

Description

パワー半導体装置
　本発明は、パワー半導体装置に関する。
　パワー半導体装置は、車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に適用されている。また、車両駆動用のみならず、鉄道、エレベータ、産業機器、航空機等のモータを制御する電力変換装置にも適用されている。
　例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車向けの電力変換装置では、充電時間を短縮する目的で動作電圧の高いパワー半導体装置が望まれている。動作電圧の高いパワー半導体装置では絶縁基板として絶縁耐圧の高いセラミック材料を使用する場合がある。一方で、小型化や、冷却性能の要求により両面直接冷却方式のパワー半導体装置が知られている。特許文献1には、電力変換装置の上下アームを構成する複数の半導体素子を両面から冷却するパワー半導体装置が開示されている。
特開２０１２－２５７３６９号公報
　パワー半導体装置の製造過程で絶縁基板との積層構造部分に熱反りが発生し、積層構造部分に剥離等が生じて信頼性が低下する虞がある。
　本発明によるパワー半導体装置は、互いに間隙領域を介して離間して並べて配置される第１半導体素子及び第２半導体素子と、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続され、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を挟んで配置される第１導体および第２導体と、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続された前記第１導体の面とは反対の面に積層される第１絶縁基板と、を備え、前記第１導体は、前記間隙領域に対応する部分に貫通部が形成される。
　本発明によれば、絶縁基板との積層構造部分の剥離等を防止して信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
第１の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。 第１の実施形態に係るパワー半導体装置の展開斜視図である。 第１の実施形態に係るパワー半導体装置の外観図である。 第１の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。 パワー半導体装置の製造工程を示す図である。 パワー半導体装置の製造工程を示す図である。 パワー半導体装置の製造工程を示す図である。 パワー半導体装置の製造工程を示す図である。 第１の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図であり、幅を表記した図である。 第２の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。 第３の実施形態に係る第１導体を示す上面図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
［第１の実施形態]
　本実施形態に係るパワー半導体装置１００について、図１～図９を参照して説明する。図１は、パワー半導体装置１００の断面図である。図２は、パワー半導体装置１００の展開斜視図である。図３は、パワー半導体装置１００の外観図である。なお、図１は、図２中のＡ－Ａ’における断面図を示している。
　図１に示すように、パワー半導体装置１００は、パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂが並べて配置される。すなわち、パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂは、互いに間隙領域３０を介して離間して並べて配置される。パワー半導体素子１ａおよびパワー半導体素子１ｂの各電極は、それぞれの電極面に対向して配置される第１導体３と第２導体４とによって挟まれる。第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂは、第１導体３及び第２導体４とそれぞれ接続材２ａ、２ｂによって接合される。第１導体３、第２導体４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接続材２ａ、２ｂは、はんだ材、焼結材などにより形成されている。
　第１導体３には、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成されている。また、第２導体４上の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間、すなわち間隙領域３０には、配線基板１１が設けられている。配線基板１１は、例えばガラスエポキシ樹脂上に銅電極が設けられたパターン配線を有しており、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと配線１２で電気的に接続されている。配線１２は例えばアルミワイヤや銅ワイヤなどを用いることができる。
　第１導体３には、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂに接続された第１導体３の面とは反対の面に絶縁基板５０が積層される。絶縁基板５０は、絶縁部材５０ａ、第１導体層５０ｂ及び第２導体層５０ｃから構成され、絶縁部材５０ａの一面に第１導体層５０ｂが配置され、他面に第２導体層５０ｃが配置される。第１導体３の第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと接続する面と反対の面は、接続材６を介して第１導体層５０ｂと接続される。第２導体層５０ｃは、接続材７を介して放熱部材８と接続される。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成される。
　第２導体４には絶縁基板５が積層される。絶縁基板５は、絶縁部材５ａ、第１導体層５ｂ及び第２導体層５ｃから構成され、絶縁部材５ａの一面に第１導体層５ｂが配置され、他面に第２導体層５ｃが配置される。第２導体４の第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂと接続する面と反対の面は、接続材６を介して第１導体層５ｂと接続される。第２導体層５ｃは、接続材７を介して放熱部材８と接続される。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成される。
　絶縁部材５ａおよび絶縁部材５０ａは、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂから発生する熱を放熱部材８に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料であるセラミック材料を用いる。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミック材料を用いる。接続材６および接続材７は、はんだ材や焼結材などから形成されている。放熱部材８および放熱フィン９は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃなどの複合材などから形成されている。
　図２に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂは、それぞれ１列に５個設けられ、さらに２列並列に設けられている。２列並列に設けられた第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂに対応して、第１導体３、第２導体４、配線基板１１がそれぞれ２個設けられる。そして、図２中のＡ－Ａ’で示す第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間の間隙領域に対応して、第１導体３には貫通部３ａが設けられている。図２に示す端子１４は、絶縁基板５の第１導体層５ｂ、および絶縁基板５０の第１導体層５０ｂに接続される。
　図３は、パワー半導体装置１００の外観図である。図３に示すように、放熱フィン９が形成されている放熱面８ａ及び端子１４以外は、封止樹脂１０で封止されている。
　図４は、第１導体３を示す上面図である。すなわち、第１導体３のみを取り出し、絶縁基板５０との接続面側からみた上面図である。図４に示すように、第１導体３には貫通部３ａが設けられている。貫通部３ａは、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの配列方向に沿って細長く設けられている。貫通部３ａの位置は、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の間隙領域３０に対応して、すなわち第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に設けられている。このように第１導体３に貫通部３ａを設けることにより、絶縁基板５と第１導体３との接合面積を小さくすることができる。ここで、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの配列方向の長さをＬ１０、貫通部３ａの長さをＬ１１とした場合、Ｌ１１≧Ｌ１０とすることが望ましい。
　図５～図８は、パワー半導体装置１００の製造工程を示す図である。
　まず、図５に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂが第２導体４に接続材２ａを介して接続される。第２導体４には配線基板１１が設けられており、この配線基板１１を挟むように第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂが配置されている。第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂはそれぞれ配線１２で配線基板１１上のパターン配線に接続される。第２導体４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成される。接続材２ａは、はんだ材または焼結材などにより形成されている。
　次に、図６に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの第２導体４が接続されている面と反対の面に、接続材２ｂを介して第１導体３を接続する。第１導体３は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成される。接続材２ｂは、はんだ材または焼結材などにより形成される。
　次に、図７に示すように、第１導体３及び第２導体４が、接続材６を介してそれぞれ絶縁基板５０の第１導体層５０ｂ、絶縁基板５の第１導体層５ｂに接続される。絶縁基板５は、絶縁部材５ａの一面に第１導体層５ｂが配置され、他面に第２導体層５ｃが配置される。なお、絶縁基板５０と絶縁基板５を同時に、第１導体３および第２導体４に接続してもよい。同時に接続することで、対称性を保つことができ、組立時の反り変形を抑制することができる。
　次に、図８に示すように、放熱部材８は、絶縁基板５０および絶縁基板５に接続材７を介して、接続される。このとき、両面の放熱部材８を同時に接続してもよい。同時に接続することにより、組立時の反り変形を抑制することができる。放熱部材８の表面には放熱フィン９が形成されている。そして最後に、放熱部材８の放熱フィン９が形成されている放熱面８ａ以外は、封止樹脂１０で封止される。
　一般に、ＳｉＣチップを使用したパワー半導体素子を複数並列駆動させるパワー半導体装置の場合、パワー半導体素子のゲート配線を接続するための配線基板を設ける必要がある。具体的には、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間に配線基板１１が設けられる。これにより、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の距離が長くなる。第１導体３に貫通部３ａを設けない場合、パワー半導体装置１００の製造工程において高温で接続し室温まで冷却する過程で、絶縁基板と導体との線膨張係数差により、絶縁基板と導体の積層構造の反り変形が大きくなる。これにより、接合面積の小さい第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに応力が発生し、クラックが発生しやすくなる。特にパワー半導体素子の両面に第１導体３および第２導体４を接続し、さらにその外側に絶縁基板を接続する両面冷却構造のパワー半導体装置では、第１導体３および第２導体４と絶縁基板の積層構造の熱反りによって、積層構造部分に剥離が生じて信頼性が低下する虞がある。
　しかし、本実施形態のように、第１導体３の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に、貫通部３ａを設けることにより、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間において、絶縁基板である絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される長さL１、L２（図９参照）を短くすることができる。これにより、絶縁基板５０に第１導体３のみが接続される領域が減少するため、熱反りを抑制することができ、第１パワー半導体素子１ａと第２導体界面の接続材２ｂや、第２パワー半導体素子１ｂと第２導体界面の接続材２ｂに発生する応力も低減される。したがって、第１導体３と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
　さらに、パワー半導体装置１００を車両等に設置して使用した場合、パワー半導体装置１００は、動作、停止を繰り返し、その結果、発熱と冷却を繰り返す。パワー半導体装置１００は、絶縁基板と導体の積層部に繰り返し大きな歪み加わるため、積層部のはく離等が懸念される。本実施形態では、第１導体３の第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間の配線基板１１に対向する位置に、貫通部３ａを設ける。これにより、繰り返し発生する応力が減少し、疲労寿命が向上する。これにより信頼性の高いパワー半導体装置１００が実現できる。
　なお、放熱部材８の放熱フィン９の形状をピンフィンの例で説明したが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。また、本説明では、封止樹脂１０が放熱部材８を含み、放熱面８ａ以外が封止された例を示したが、絶縁基板５までが樹脂封止された構造であってもよい。この場合、絶縁基板５０の第２導体層５０ｃと放熱部材８とが接続され、絶縁基板５の第２導体層５ｃと放熱部材８とが接続されていれば、同様の効果が得られる。
　図９は、図１と同様のパワー半導体装置１００の断面図であるが、貫通部３ａ他の幅を表記した図である。
　図９に示すように、貫通部の幅をＬ３、配線基板１１の幅をＬ４とした場合、Ｌ３≧Ｌ４とすることが望ましい。さらに第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂ間の距離をＬ５とする。すなわち、第１パワー半導体素子１ａの配線基板１１側の側面を１ｃとし、第２パワー半導体素子１ｂの配線基板側の側面を１ｄとした場合に、側面１ｃと側面１ｄとの距離をＬ５とすると、Ｌ３≦Ｌ５とすることが望ましい。
　本実施形態においては、図２に示したように第１パワー半導体素子１ａを５個、第２パワー半導体素子１ｂを５個備えた例を示したが、第１パワー半導体素子１ａ、第２パワー半導体素子１ｂがそれぞれ１つ以上あればよい。そして、貫通部３ａは少なくとも第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの間に設けられていればよい。これにより同様の効果が得られる。
［第２の実施形態]
　第２の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第１導体３’を示す上面図である。なお、第１導体３’を含む図１０中のＡ－Ａ’におけるパワー半導体装置１００の断面図は図１と同様であり、第１導体３’を含むパワー半導体装置１００の展開斜視図は図２と同様である。
　本実施形態における第１導体３’は、図１０に示すように、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間には貫通部３ａ’が設けられている。貫通部３ａ’は、第１パワー半導体素子１ａおよび第２パワー半導体素子１ｂの配列方向に複数個設けられている。第１導体３’における第１パワー半導体素子側と第２パワー半導体素子側の間をつなぐ接続部３ｂ’が各第１パワー半導体素子１ａおよび各第２パワー半導体素子１ｂの間隔毎に設けられている。
　ここで、第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂの配列方向における長さをＬ１０’、貫通部３ａの長さをＬ１１’とした場合、Ｌ１１’≧Ｌ１０’とすることが望ましい。
　本実施形態によれば、第１の実施形態で述べた効果を有する他に、第１導体３’における電気抵抗を低減できる効果が得られる。
［第３の実施形態]
　第３の実施形態について、図１１を参照して説明する。図１１は、第１導体３’’を示す上面図である。なお、第１導体３’’を含む図１１中のＡ－Ａ’におけるパワー半導体装置１００の断面図は図１と同様であり、第１導体３’’を含むパワー半導体装置１００の展開斜視図は図２と同様である。
　本実施形態における第１導体３’’は、図１１に示すように、第１パワー半導体素子側と第２パワー半導体素子側の間をつなぐ接続部３ｂ’’が１か所にだけ設けられている。
そして、接続部３ｂ’’を除く第１パワー半導体素子１ａと第２パワー半導体素子１ｂとの間は貫通部３ａ’’が形成されている。
　本実施形態によれば、第１の実施形態で述べた効果を有する他に、絶縁基板５０に接続される第１導体３’’の接合面積が小さくでき、かつ第１導体３’’の第１パワー半導体素子側の３eと第１導体３’’の第２パワー半導体素子側３fが自由に変形できる。このため、第１導体３’’と絶縁基板５０の積層構造の熱反りをさらに抑制することができ、第１導体３’’と絶縁基板５０との積層構造のクラックやはく離を防止することができ、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。また、第１導体３’’を第1パワー半導体素子側の３eと第２パワー半導体素子側３fで完全に２分割するのではなく、少なくとも一か所で接続することにより、部品点数を少なくすることができ、さらに、第１導体３’’と絶縁基板５０を接続する際の高さ調整が容易になる。
　上述した第１の実施形態～第３の実施形態では、封止樹脂が放熱部材８を含み、放熱面８ａ以外が封止された例を示した。しかし、図１２に示すように、絶縁基板５、５０までが封止された構造であってもよい。絶縁基板５、５０の第２の導体層５ｃ、５０ｃと放熱部材８とが接続されていれば、同様の効果が得られる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
　また、上述した第１の実施形態～第３の実施形態では、絶縁基板５、５０の第２の導体層５ｃ全面に放熱部材８を接続した場合について説明した。しかし、図１３に示すように、第２の導体層５ｃ、５０ｃに放熱フィン９を直接設けた構造であってもよい。その他の構成は、図１と同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
　以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワー半導体装置１００は、互いに間隙領域３０を介して離間して並べて配置される第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂと、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂに接続され、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂを挟んで配置される第１導体３および第２導体４と、第１パワー半導体素子１ａ及び第２パワー半導体素子１ｂに接続された第１導体３の面とは反対の面に積層される絶縁基板５と、を備え、第１導体３は、間隙領域３０に対応する部分に貫通部３ａが形成される。これにより、絶縁基板との積層構造部分の剥離等を防止して信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。
１ａ…第１パワー半導体素子
１ｂ…第２パワー半導体素子
２ａ、２ｂ…接続材
３、３’、３’’…第１導体
３ａ…貫通部
３ｂ…接続部
４…第２導体
５…絶縁基板
５ａ…絶縁部材
５ｂ…第１導体層
５ｃ…第２導体層
６、７…接続材
８…放熱部材
８ａ…放熱面
９…放熱フィン
１０…封止樹脂
１１…配線基板
１２…配線
１４…端子
３０…間隙領域
５０…絶縁基板
５０ａ…絶縁部材
５０ｂ…第１導体層
５０ｃ…第２導体層

Claims (8)

  1. 　互いに間隙領域を介して離間して並べて配置される第１半導体素子及び第２半導体素子と、
    　前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続され、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を挟んで配置される第１導体および第２導体と、
    　前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接続された前記第１導体の面とは反対の面に積層される第１絶縁基板と、を備え、
    　前記第１導体は、前記間隙領域に対応する部分に貫通部が形成されるパワー半導体装置。
  2. 　請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    　前記第１半導体素子及び第２半導体素子に接続された前記第２導体の面とは反対の面に積層される第２絶縁基板を備えるパワー半導体装置。
  3. 　請求項２に記載のパワー半導体装置において、
    　前記第１絶縁基板および前記第２絶縁基板はセラミック材料を含む基板であるパワー半導体装置。
  4. 　請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    　前記第２導体上であって、前記間隙領域に、前記第１半導体素子および第２半導体素子と電気的に接続される配線基板が設けられ、前記第１導体に形成される前記貫通部は前記配線基板と対向する位置に設けられるパワー半導体装置。
  5. 　請求項４に記載のパワー半導体装置において、
    　前記貫通部の幅をＬ３、前記配線基板の幅をＬ４とした場合、Ｌ３≧Ｌ４であるパワー半導体装置。
  6. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    　前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間の前記貫通部の幅をＬ３、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の間の距離をＬ５とした場合、Ｌ３≦Ｌ５であるパワー半導体装置。
  7. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    　前記第１半導体素子もしくは第２半導体素子の配列方向の長さをＬ１０、前記配列方向における前記貫通部の長さをＬ１１とした場合、Ｌ１１≧Ｌ１０であるパワー半導体装置。
  8. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    　前記貫通部に封止樹脂が充填されているパワー半導体装置。
PCT/JP2020/003318 2019-03-27 2020-01-30 パワー半導体装置 Ceased WO2020195142A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019060328A JP7193395B2 (ja) 2019-03-27 2019-03-27 パワー半導体装置
JP2019-060328 2019-03-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020195142A1 true WO2020195142A1 (ja) 2020-10-01

Family

ID=72609976

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/003318 Ceased WO2020195142A1 (ja) 2019-03-27 2020-01-30 パワー半導体装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7193395B2 (ja)
WO (1) WO2020195142A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12412847B2 (en) * 2022-03-14 2025-09-09 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor module, semiconductor device and vehicle

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016021341A1 (ja) * 2014-08-07 2016-02-11 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワーモジュール
JP2017073483A (ja) * 2015-10-08 2017-04-13 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016021341A1 (ja) * 2014-08-07 2016-02-11 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワーモジュール
JP2017073483A (ja) * 2015-10-08 2017-04-13 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12412847B2 (en) * 2022-03-14 2025-09-09 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor module, semiconductor device and vehicle

Also Published As

Publication number Publication date
JP7193395B2 (ja) 2022-12-20
JP2020161675A (ja) 2020-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4967447B2 (ja) パワー半導体モジュール
US4970577A (en) Semiconductor chip module
CN113039636B (zh) 功率半导体装置
JP2019067949A (ja) 半導体装置
JP6988345B2 (ja) 半導体装置
JPH1093017A (ja) 多層構造方式での高実装密度の半導体パワーモジュール
WO2020116116A1 (ja) 半導体装置
WO2012165045A1 (ja) 半導体装置及び配線基板
KR102857469B1 (ko) 다층 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈
JP2004022973A (ja) セラミック回路基板および半導体モジュール
CN1258934A (zh) 包括冷却器的电力电子部件
JP2007012831A (ja) パワー半導体装置
JP7163583B2 (ja) 半導体装置
JP7193395B2 (ja) パワー半導体装置
KR102564818B1 (ko) 파워모듈 및 그 제조방법
CN111834307B (zh) 半导体模块
JP2023134143A (ja) 半導体モジュール、半導体装置、及び車両
JP7230419B2 (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法
JP2020161676A (ja) パワー半導体装置
JP4992302B2 (ja) パワー半導体モジュール
JPH1032218A (ja) 半導体装置
JP2000174198A (ja) モジュール型半導体装置及びこれを用いた電力変換装置
JP6608728B2 (ja) 回路基板および電子装置
WO2022239154A1 (ja) パワーモジュールおよび電力変換装置
JP6777440B2 (ja) 回路基板および電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20776594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20776594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1