WO2022270161A1 - 半導体モジュール - Google Patents

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悠次郎 竹内
幸博 熊谷
貴之 大内
宇幸 串間
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株式会社日立パワーデバイス
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the present invention relates to semiconductor modules.
  • Patent Document 1 an insulating substrate 11 made of a ceramic material and having a wiring layer on which components are mounted is formed on one main surface;
  • a semiconductor package 100 on which a wiring substrate 10 is mounted is disclosed, which includes a base plate 13 having a protruding portion 13c protruding outward from an outer peripheral edge and having a thickness greater than that of an insulating substrate 11.
  • FIG. 1 The emitter wiring pattern 12a for connecting the emitter electrode of the semiconductor chip 20 and the collector wiring pattern 12b for connecting the collector electrode of the semiconductor chip 20 are connected to external electrodes by lead frames (emitter terminal 18a and collector terminal 18b).
  • One aspect of the present invention for achieving the above object is a semiconductor module including an insulating substrate, wiring formed on the insulating substrate, a semiconductor chip, and a lead frame, wherein one surface of the semiconductor chip is the wiring. and the other surface is connected to the lead frame, the wiring has a floating wiring to which the lead frame is connected, and the connection point between the floating wiring and the lead frame is located at the corner of the insulating substrate.
  • a semiconductor module characterized by:
  • a semiconductor module having a semiconductor chip wiring formed on an insulating substrate, and a lead frame, it is possible to provide a semiconductor module having a higher heat dissipation effect than conventional semiconductor modules.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of the configuration of the power semiconductor module of the present invention
  • Top view of the power semiconductor module viewed from direction A in FIG. The bottom view of the power semiconductor module seen from the B direction of FIG. 1 of FIG.
  • Side view of the power semiconductor module seen from direction D in FIG. A simplified diagram of a part of the top view of FIG. Cross-sectional view of the power semiconductor module seen in the EE cross section of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of the power semiconductor module of the present invention
  • FIG. 2 is a top view of the power semiconductor module viewed from direction A in FIG. 1
  • FIG. 3 is a power semiconductor module viewed from direction B in FIG. 4 is a side view of the power semiconductor module viewed from direction C in FIG. 1
  • FIG. 5 is a side view of the power semiconductor module viewed from direction D in FIG.
  • a semiconductor module 10 according to one embodiment of the present invention has wirings 2, semiconductor chips 3 and lead frames 4 laminated in this order on the surface of an insulating substrate 1.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of the power semiconductor module of the present invention
  • FIG. 2 is a top view of the power semiconductor module viewed from direction A in FIG. 1
  • FIG. 3 is a power semiconductor module viewed from direction B in FIG. 4
  • FIG. 5 is a side view of the power semiconductor module viewed from direction D in FIG.
  • a semiconductor module 10 according to one embodiment of
  • the semiconductor chip 3 has one surface connected to the wiring 2 formed on the insulating substrate 1 and the other surface connected to the lead frame 4 .
  • the semiconductor chip 3 is not limited to this.
  • a plurality of insulating substrates 1 (three insulating substrates 1 in FIGS. 1 and 2) are housed in a resin case 7. Although not shown, the surface of the insulating substrate 1 is sealed together with the wiring 2, the semiconductor chip 3 and the lead frame 4 with an insulating resin.
  • Materials for the insulating substrate 1 and the wiring 2 are not particularly limited, but for example, ceramics can be used for the insulating substrate 1 and copper can be used for the wiring 2 .
  • a heat dissipation member 6 having at least a base plate is provided on the surface of the insulating substrate 1 opposite to the surface on which the semiconductor chip 3 is provided.
  • the heat radiating member 6 may further have heat radiating fins 6a.
  • the configuration of the radiation fins 6a may be cylindrical as shown, or may be flat (not shown).
  • the cooling method of the heat radiating member 6 may be air cooling or water cooling.
  • air cooling for example, a fan can be provided to cool the heat radiating member 6 and the heat radiating fins 6a.
  • a cooling passage may be provided so that water or a cooling medium contacts the heat radiating member or the heat radiating fins 6a.
  • FIG. 6 is a diagram showing a simplified configuration of part of the top view of FIG. 1, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the power semiconductor module as seen from the EE cross section of FIG.
  • the shape of the lead frame 4 in FIG. 2 is simplified.
  • the lead frame 4 is connected to the wiring 2 via a first connection point 4a.
  • the terminals 5 are provided, for example, on both sides of the insulating substrate 1, and the current from the terminals 5 on one side passes through the wiring 2 and is conducted to the terminals 5 on the other side via the semiconductor chip 3 and the lead frame 4. be killed.
  • the wiring 2 is a floating wiring that is not used as a circuit, in addition to the wiring that is used as a circuit, such as a current path between the terminals 5 on both sides. It is set as the structure which has the wiring 2a. Then, at the corner portion of the insulating substrate 1, the floating wiring 2a and the lead frame 4 are connected at the position of the second connection point 4b.
  • the heat generated from the semiconductor chip 3 is led to the heat dissipation member 6 via the wiring 2 and the insulating substrate 1 immediately below the semiconductor chip 3, and is dissipated (heat dissipation path 11). Further, heat generated from the semiconductor chip 3 is guided to the first connection point 4a via the lead frame 4, is guided to the heat dissipation member 6 via the wiring 2 and the insulating substrate 1, and is dissipated (heat dissipation path 12).
  • the heat generated from the semiconductor chip 3 is led to the second connection point 4b via the lead frame 4.
  • the heat led to the second connection point 4b is led to the heat dissipation member 6 via the floating wiring 2a and the insulating substrate 1, and is radiated (heat dissipation path 13).
  • the floating wiring 2a that does not function as a wiring among the wirings 2 to the lead frame 4 in this way, in addition to the heat radiation paths 11 and 12 of the conventional configuration, the floating wiring 2a and the insulating substrate 1 can be And the heat dissipation path 13 that transfers heat to the heat dissipation member 6 can enhance the heat dissipation effect.
  • the heat dissipation path 13 can be added without interfering with the conventional heat dissipation paths 11 and 12, so that the heat dissipation effect can be enhanced.
  • connection point 4b between the floating wiring 2a and the lead frame 4 is closer to the outer circumference of the insulating substrate 1 than the first connection point 4a, which is another connection point between the lead frame 4 and the wiring 2. is preferably located in order to enhance the heat radiation effect.
  • the thickness of the lead frame 4 is preferably 1.0 mm or more and 1.2 mm or less. From the viewpoint of reducing thermal resistance, it is preferable that the thickness of the lead frame 4 is thick (the thicker the lead frame 4, the easier it is to conduct heat) (the heat dissipation effect through the heat dissipation paths 12 and 13 is enhanced). On the other hand, from the viewpoint of improving thermal fatigue resistance, it is preferable that the thickness of the lead frame 4 is thin (because the lead frame 4 made of copper has a larger thermal expansion coefficient than the insulating substrate 1 made of ceramics, the thinner one less stress).
  • the thickness of the lead frame 4 is preferably 1.0 mm or more and 1.2 mm or less in order to balance low thermal resistance and thermal fatigue resistance.
  • Thermal fatigue due to the difference in coefficient of thermal expansion between the insulating substrate 1 and the lead frame 4 increases at the corners of the insulating substrate 1 where the second connection points 4b are provided, but the thickness of the lead frame 4 is set within the above range.
  • both reduction in thermal resistance and resistance to thermal fatigue can be achieved.
  • the heat dissipation member 6 is preferably arranged so as to overlap the floating wiring 2a with the insulating substrate 1 interposed therebetween.
  • the heat dissipation member 6 has heat dissipation fins 6a, it is preferable that the heat dissipation fins 6a are arranged so as to overlap the floating wirings 2a with the insulating substrate 1 interposed therebetween.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor module having a semiconductor chip, wiring formed on an insulating substrate, and a lead frame, and having a higher heat dissipation effect than conventional semiconductor modules. .
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

半導体チップと絶縁基板に形成された配線とリードフレーとを有する半導体モジュールにおいて、従来よりも高い放熱効果を有する半導体モジュールを提供する。　本発明の半導体モジュール１０は、絶縁基板１と、絶縁基板１に形成された配線２と、半導体チップ３と、リードフレーム４と、を備える半導体モジュールにおいて、半導体チップ３は、一方の面が配線２に接続され、他方の面がリードフレーム４に接続され、配線２は、リードフレーム４が接続されたフローティング配線を有し、フローティング配線とリードフレーム４との接続点は、絶縁基板１の角部に位置することを特徴とする。

Description

半導体モジュール
　本発明は、半導体モジュールに関する。
　従来、絶縁基板に固定された半導体チップと外部配線とを接続するためのリードフレームを備えた半導体モジュールが知られている。例えば、下記特許文献１には、セラミックス材で構成され、一方の主面に部品が実装される配線層が形成された絶縁基板１１と、絶縁基板１１の他方側に配され、絶縁基板１１の外周縁より外方に突出する突出部１３ｃを有し、絶縁基板１１よりも厚さが大きいベースプレート１３と、を備える、配線基板１０を搭載する半導体パッケージ１００が開示されている。半導体チップ２０のエミッタ電極接続用のエミッタ配線パターン１２ａとコレクタ電極接続用のコレクタ配線パターン１２ｂは、リードフレーム（エミッタ端子１８ａ、及びコレクタ端子１８ｂ）によって外部電極に接続されている。
特開２０１７－０５４８４２号公報
　上述した特許文献１では、配線基板１０の下面に配置されたベースプレート１３の突出部１３ｃによって冷却構造部４０を固定できるため、冷却構造部４０を固定するためにシリコングリス等の熱抵抗の大きい接着剤を用いる必要が無く、高い冷却性能が得られるとされている。
　しかしながら、半導体モジュールの高性能化・小型化に伴う大電流化・高集積化に対応すべく、半導体チップの放熱効果を従来よりも更に高めることが求められている。
　本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、半導体チップと絶縁基板に形成された配線とリードフレームとを有する半導体モジュールにおいて、従来よりも高い放熱効果を有する半導体モジュールを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための本発明の一態様は、絶縁基板と、絶縁基板に形成された配線と、半導体チップと、リードフレームと、を備える半導体モジュールにおいて、半導体チップは、一方の面が配線に接続され、他方の面がリードフレームに接続され、上記配線は、リードフレームが接続されたフローティング配線を有し、該フローティング配線とリードフレームとの接続点は、絶縁基板の角部に位置することを特徴とする半導体モジュールである。
　本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
　本発明によれば、半導体チップと絶縁基板に形成された配線とリードフレームとを有する半導体モジュールにおいて、従来よりも高い放熱効果を有する半導体モジュールを提供できる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明のパワー半導体モジュールの構成の一例を示す斜視図 図１のＡ方向から見たパワー半導体モジュールの上面図 図１の図１のＢ方向からみたパワー半導体モジュールの下面図 図１のＣ方向から見たパワー半導体モジュールの側面図 図１のＤ方向から見たパワー半導体モジュールの側面図 図１の上面図の一部の構成を簡略化した図 図６のＥ－Ｅ断面で見たパワー半導体モジュールの断面図
　以下、本発明の半導体モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明のパワー半導体モジュールの構成の一例を示す斜視図、図２は図１のＡ方向から見たパワー半導体モジュールの上面図、図３は図１の図１のＢ方向からみたパワー半導体モジュールの下面図、図４は図１のＣ方向から見たパワー半導体モジュールの側面図、図５は図１のＤ方向から見たパワー半導体モジュールの側面図である。図１および図２に示すように、本発明の一実施形態である半導体モジュール１０は、絶縁基板１の表面に、配線２、半導体チップ３およびリードフレーム４がこの順で積層されている。半導体チップ３は、一方の面が絶縁基板１に形成された配線２に接続され、他方の面がリードフレーム４に接続されている。ここでは半導体チップ３の一例としてダイオードチップとＩＧＢＴチップとを用いた例を示しているが、これに限定されるものではない。
　複数の絶縁基板１（図１および図２では３つの絶縁基板１）が樹脂ケース７に収容されている。図示していないが、絶縁基板１の表面は、配線２、半導体チップ３およびリードフレーム４とともに、絶縁樹脂によって封止される。絶縁基板１および配線２の材料に特に限定は無いが、一例を挙げるならば、絶縁基板１はセラミックス、配線２には銅を用いることができる。
　図３～図５に示すように、絶縁基板１の半導体チップ３が設けられている面と反対側の面には、少なくともベースプレートを有する放熱部材６が設けられている。放熱部材６は、さらに放熱フィン６ａを有する構成としてもよい。放熱フィン６ａの構成は、図示したような円筒形状でもよいし、図示しない平板形状でもよい。放熱部材６の冷却方法は、空冷であっても水冷であっても良い。空冷の場合は、例えばファンを設けて放熱部材６や放熱フィン６ａを冷却することができる。また、水冷の場合は、例えば冷却通路を設けて水や冷却媒体が放熱部材や放熱フィン６ａと接触するような構成とすることができる。
　図６は図１の上面図の一部の構成を簡略化した図であり、図７は図６のＥ－Ｅ断面で見たパワー半導体モジュールの断面図である。図６では、図２のリードフレーム４の形状は簡略化して示している。図６に示すように、リードフレーム４は、配線２と、第１の接続点４ａを介して接続されている。端子５は例えば絶縁基板１の両側に設けられており、一方の側の端子５からの電流は、配線２を通り、半導体チップ３、リードフレーム４を介してもう一方の側の端子５に導かれる。
　ここで、本実施例においては、配線２として、例えば両側の端子５の間の電流の通り道など、回路として用いられている配線とは別に、回路として用いられていないフローディングの配線であるフローティング配線２ａを有する構成としている。そして、絶縁基板１の角部分において、フローティング配線２ａとリードフレーム４とを第２の接続点４ｂの位置で接続する。
　図７に示すように、半導体チップ３から生じる熱は、半導体チップ３の直下では、配線２、絶縁基板１を経由して放熱部材６へ導かれ、放熱される（放熱経路１１）。また、半導体チップ３から生じる熱は、リードフレーム４を経由して第１の接続点４ａへ導かれて、配線２、絶縁基板１を経由して放熱部材６へ導かれ、放熱される（放熱経路１２）。
　ここまでは従来構造でも存在する放熱経路であるが、本発明では、さらに、半導体チップ３から生じる熱は、リードフレーム４を経由して第２の接続点４ｂへ導かれている。第２の接続点４ｂに導かれた熱は、フローティング配線２ａ、絶縁基板１を経由して放熱部材６へ導かれ、放熱される（放熱経路１３）。
　このように、配線２のうち配線としては機能しないフローティング配線２ａをリードフレーム４に接続することで、従来の構成の放熱経路１１，１２に加えて、リードフレーム４からフローティング配線２ａ、絶縁基板１および放熱部材６に熱を伝える放熱経路１３により、放熱効果を高めることができる。
　フローティング配線２ａは絶縁基板１の角部分に設けられていることにより、従来の放熱経路１１、１２と干渉することなく放熱経路１３を追加することができるので、放熱効果を高めることができる。
　同じ理由で、フローティング配線２ａとリードフレーム４との第２の接続点４ｂは、リードフレーム４と配線２との他の接続点である第１の接続点４ａよりも、絶縁基板１の外周側に位置することが、放熱効果を高める上で好ましい。
　絶縁基板１がセラミックスで形成されており、配線２が銅で形成されている場合は、リードフレーム４の厚さは、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが好ましい。熱抵抗低減の観点からは、リードフレーム４の厚さは厚い方が好ましい（厚い方が熱を伝えやすい）（放熱経路１２、１３を介した放熱効果が高くなる）。一方、熱疲労耐性向上の観点からは、リードフレーム４の厚さは薄い方が好ましい（銅のリードフレーム４の方がセラミックスの絶縁基板１よりも熱膨張率が大きいので、薄い方が、熱応力が小さくなる）。
　本発明者の検討の結果、熱抵抗低および熱疲労耐性をバランスさせるために、リードフレーム４の厚さは１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下が好ましい。第２の接続点４ｂを設けている絶縁基板１の角部分ほど、絶縁基板１とリードフレーム４の熱膨張率の差による熱疲労が大きくなるが、リードフレーム４の厚さを上記範囲とすることで、熱抵抗低減および熱疲労耐性を両立することができる。
　放熱部材６は、絶縁基板１を介してフローティング配線２ａと重なるように配置されていることが好ましい。半導体チップ３からの熱を逃がすフローティング配線２ａの直下に放熱部材６を設けることで、放熱経路１３の経路長は最短となり、放熱効果を高めることができる。また、放熱部材６が放熱フィン６ａを有する場合は、放熱フィン６ａが、絶縁基板１を介してフローティング配線２ａと重なるように配置されていることが好ましい。
　以上、説明したように、本発明によれば、半導体チップと絶縁基板に形成された配線とリードフレームとを有する半導体モジュールにおいて、従来よりも高い放熱効果を有する半導体モジュールを提供できることが示された。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…絶縁基板、２…配線、２ａ…フローティング配線、３…半導体チップ、４…リードフレーム、４ａ…第１の接続点、４ｂ…第２の接続点、５…端子、６…放熱部材、６ａ…放熱フィン、７…樹脂ケース、１０…半導体モジュール、１１，１２，１３…放熱経路。

Claims (6)

  1. 　絶縁基板と、前記絶縁基板に形成された配線と、半導体チップと、リードフレームと、を備える半導体モジュールにおいて、
    　前記半導体チップは、一方の面が前記配線に接続され、他方の面が前記リードフレームに接続され、
    　前記配線は、前記リードフレームが接続されたフローティング配線を有し、
    　前記フローティング配線と前記リードフレームとの接続点は、前記絶縁基板の角部に位置することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　請求項１の半導体モジュールにおいて、前記フローティング配線と前記リードフレームとの接続点は、前記リードフレームと前記配線との他の接続点よりも前記絶縁基板の外周側に位置することを特徴とする半導体モジュール。
  3. 　請求項１または２の半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板はセラミックスで形成されており、前記リードフレームは銅で形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 　請求項３の半導体モジュールにおいて、前記リードフレームの厚さは、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 　請求項１または２の半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板の前記半導体チップとは反対側の面に放熱部材を有し、前記放熱部材は、前記絶縁基板を介して前記フローティング配線と重なるように配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 　請求項５の半導体モジュールにおいて、前記放熱部材は放熱フィンを有し、前記放熱フィンは、前記絶縁基板を介して前記フローティング配線と重なるように配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
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