JP2006114716A

JP2006114716A - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP2006114716A
Application number: JP2004300949A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakajima; 泰中島; Hiroaki Maeda; 浩明前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】フレームの放熱板との接合部がパワー半導体素子に近づいてもパワー半導体素子に影響を与えない、小型化が可能な電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】放熱板に取り付けられた半導体素子と、放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置において、放熱板の硬さが、フレームの硬さより大きい。放熱板に設けられた突起部により、放熱板とフレームとが接合される。フレームに設けられた突起部により、放熱板とフレームとが接合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、小型化された電力用半導体装置に関する。

電力用半導体装置は、放熱板にはんだ付けされたパワー半導体素子を含む。放熱板にはさらにフレームが超音波接合されている。一方、パワー半導体素子のボンディングパッドには、ボンディングワイヤにより他のフレームが接続されている。放熱板やパワー半導体素子はモールド樹脂により封止され、フレームがモールド樹脂より外部に突出した構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８６６２２号公報

パワー半導体素子とフレームとの接合部では、金属の変形が数十μｍ以上でないと十分な接合強度が得られない。超音波接合工程において、フレームと放熱板は、加えられた超音波エネルギにより変形を伴いながら接合されるが、十分な接合強度を得るためには、フレームと一緒に放熱板も変形する。このため、パワー半導体素子の近傍にフレームの接合部を配置すると、接合時の放熱板の変形によりパワー半導体素子が応力を受けて破損等するため、パワー半導体素子と接合部との間の距離を、例えば５ｍｍ以上とする必要があり、電力用半導体装置の小型化が困難であった。

また、フレームは、幅、長さ、および厚みに応じた剛性を有するが、フレームの剛性が大きいほど超音波接合の接合性が悪くなる。
図１は、フレームの長さを変えた場合の、超音波接合の接合エネルギと接合強度との関係である。波線は、接合部が所望の信頼性を達成するのに必要な接合強度を示し、これより下方では強度不足となる。
図１からわかるように、短いフレームでは剛性が高くなり、同じ接合エネルギでも小さな接合強度しか得ることができない。一方、長いフレームでは剛性は小さくなるが、占有面積が大きくなるとともに、接続エネルギが大きくなるとネック切れが発生する。

電流量の大きな電力用半導体装置では、例えば、厚さが０．５ｍｍ以上、幅が５ｍｍ以上のフレームが用いられる。フレームの剛性はフレームの長さに大きく依存するため、フレームの剛性を小さくするためにはフレームを長くする必要があり、この結果、電力用半導体装置が大きくなり小型化が困難であった。

そこで、本発明は、フレームの放熱板への接合部がパワー半導体素子に近づいてパワー半導体素子に影響を与えない、小型化が可能な電力用半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、放熱板に取り付けられた半導体素子と、放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、放熱板の硬さが、フレームの硬さより大きいことを特徴とする電力用半導体装置である。

また、本発明は、放熱板に取り付けられた半導体素子と、放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、放熱板に設けられた突起部により、放熱板とフレームとが接合されたことを特徴とする電力用半導体装置である。

また、本発明は、放熱板に取り付けられた半導体素子と、放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、フレームに設けられた突起部により、放熱板とフレームとが接合されたことを特徴とする電力用半導体装置でもある。

このように、本発明にかかる電力用半導体装置では、放熱板とフレームとの接続部とパワー半導体素子との距離を小さくし、電力用半導体装置の小型化が可能となる。

実施の形態１．
図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図であり、全体が１００で表される。
電力用半導体装置１００は、例えば銅からなる放熱板１を含む。放熱板１の上には、半田層２により、例えばパワーＦＥＴやＩＧＢＴのようなパワー半導体素子３が固定されている。
パワー半導体素子３に設けられたボンディングパッド（図示せず）とフレーム４とは、金等のボンディングワイヤ５により接続されている。また、放熱板１には、他のフレーム４が超音波接合されている。

放熱板１の裏面には絶縁層６が設けられ、放熱板１の裏面を絶縁している。更に、絶縁層６の裏面は、金等の金属層７に覆われている。放熱板１、パワー半導体素子３等は、モールド樹脂８により封止されている。

放熱板１は、例えば銅合金からなり、放熱板１の厚さは約２〜３ｍｍである。フレーム４は、放熱板１より柔らかい材料である純銅や銅合金からなる。
モールド樹脂８は、例えばシリカ等のフィラーを数十パーセント含有したエポキシからなる。
フレーム４の厚さは約０．５〜１ｍｍである。一方のフレーム４には内部電極が設けられ、例えばＡｌ等のボンディングワイヤ５によりパワー半導体素子３のボンディングパッド（図示せず）と接続されている。

放熱板１との接合部において、フレーム４の断面積は、電流量が５０〜１００Ａ／ｍｍ^２となるように決定される。例えば、電流量３００Ａの電力用半導体装置であれば、フレーム４は、厚みが０．６ｍｍ、幅が５ｍｍとなる。

放熱板１とフレーム４との接合は、放熱板１の表面にフレーム４の接合部が重なるように配置し、超音波接合装置を用いた超音波接合で行う。超音波接合は、放熱板１に対してフレーム４を加圧しながら超音波振動させて行う。

電力用半導体装置１００では、放熱板１の硬さがフレーム４の硬さより大きくなっている。ここでいう硬さは、ヴィッカース硬さ（Ｈｖ）をいう。例えば、放熱板１が銅と鉄の合金からなり、フレーム４が純銅からなる。

かかる場合、フレーム４を放熱板１に接合する時の変形量は、フレーム４の変形量が放熱板１の変形量より大きくなる。即ち、フレーム４が大きく変形する一方、放熱板１の変形は非常に小さくなる。

より具体的には、放熱板１は、９９．９％が銅、残部が例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ_２Ｏ_３等の、分散強化型の析出相を有する銅合金からなる。かかる放熱板１のヴィッカース硬さ（Ｈｖ）は、約１００〜１５０である。一方、フレーム４は、Ｃ１０２０系の９９．９９％銅、いわゆる純銅からなる。かかるフレーム４のヴィッカース硬さ（Ｈｖ）は、Ｈｖ＝約７５〜１００である。このような放熱板１とフレーム４との組み合わせを用いることにより、フレーム４の変形を大きくし、放熱板１の変形を抑えることができる。

ここでは、放熱板１に９９．９％銅、フレーム４に９９．９９％銅を用いたが、他の組成の組み合わせであってもかまわず、「放熱板１の硬さ＞フレーム４の硬さ」とすることで、同様の効果が得られる。
また、銅以外にアルミニウム等を用いた場合でも、「放熱板１の硬さ＞フレーム４の硬さ」とすることで、同様の効果が得られる。

放熱板１にはんだ付けされたパワー半導体素子３において、放熱板１が変形することは、パワー半導体素子３に応力を与え、破損等の原因となる。しかしながら、「放熱板１の硬さ＞フレーム４の硬さ」とすることで、放熱板１の変形は接合部近傍の局所的な変形となり、パワー半導体素子３には影響を与えなくなる。

実際に歪ゲージを用いて測定したところ、パワー半導体素子３とフレーム４の接合部との間隔を３ｍｍとした場合、パワー半導体素子３の表面に貼り付けた歪ゲージで測定した応力は１０ＭＰａ程度であった。この程度の応力であれば、パワー半導体素子３には影響を与えることはない。

このように、本実施の形態では、「放熱板１の硬さ＞フレーム４の硬さ」となるように放熱板１およびフレーム４の材料を選択することにより、パワー半導体素子３とフレーム４の接合部との間隔を小さくすることができる。この結果、放熱板１の面積を小さくでき、電力用半導体装置１００の小型化が可能となる。

なお、絶縁層６には、ＢＮフィラー、Ａｌ_２Ｏ_３フィラー、ＡｌＮフィラーなどの高熱伝導性の絶縁物を、数十％以上エポキシに含有させた材料のような、モールド樹脂８よりも熱伝導率の高い材料を用いることが、放熱性を向上させるために望ましい。
即ち、モールド樹脂８と同一材料で絶縁層６を形成した場合、放熱板１の裏面での絶縁性を十分に確保するためには、絶縁層６の厚みを約０．５ｍｍとする必要があるのに対し、ＢＮフィラー等を含有したエポキシを絶縁層６の材料に用いた場合には、その厚さは約０．４〜０．３ｍｍと薄くできる。この結果、絶縁層６の熱抵抗が小さくなり、電力用半導体装置１００の放熱性が向上する。

また、絶縁層６の裏面を金属層７で覆うことにより、電力用半導体装置１００を放熱フィンに取り付けた場合に、絶縁層６を保護できる。金属層７の厚みは、約０．１〜０．３ｍｍに設定すれば、保護機能が十分得られる。

なお、絶縁層６は、セラミック基板でも良く、例えば、厚みが０．５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３板に放熱板相当のメタライズ層を形成し、放熱板１と半田等で接合したものでも良い。

また、図２に示すように、放熱板１の表面には、モールド樹脂８との密着性を向上させるために、溝や凹み加工を施しても良い。更に、溝や凹みがあったほうが接合面積が増すために、フレーム４と放熱板１との接合性は向上する。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図であり、全体が２００で表される。図３中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
電力用半導体装置２００では、放熱板１に設けられた突起部１０により、放熱板１とフレーム４とが接合されている。

このように、放熱板１に突起部１０を設け、突起部１０とフレーム４とを接合させることにより、超音波接合工程において突起部１０を優先的に塑性変形させ、放熱板１の変形を抑えることができる。この結果、パワー半導体素子１と突起部１０（フレーム４）との距離を小さくすることができ、電力用半導体装置２００の小型化が可能となる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図であり、全体が３００で表される。図４中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
電力用半導体装置３００では、フレーム４に設けられた突起部２０により、放熱板１とフレーム４とが接合されている。突起部２０は、例えば、フレーム４をプレス加工して形成する。

このように、フレーム４に突起部２０を設け、突起部２０と放熱板１とを接合させることにより、超音波接合工程において突起部２０を優先的に塑性変形させ、放熱板１の変形を抑えることができる。この結果、パワー半導体素子１と突起部２０（フレーム４）との距離を小さくすることができ、電力用半導体装置３００の小型化が可能となる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の断面図であり、全体が４００で表される。図４中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
電力用半導体装置４００では、フレーム４が、放熱板１との接合部と末端部との間に、フレーム４の長さを大きくする迂回部３０を有する。

このように、フレーム４の長さを大きくすると、図１に示すように、接合エネルギが小さくても十分な接合強度が得られる。この結果、超音波接合時の放熱板１の変形量を低減でき、パワー半導体素子１と接合部との距離を小さくして、電力用半導体装置４００の小型化が可能となる。
また、フレームと放熱板との距離が離れているため、電力用半導体装置４００の反りも低減できる。

なお、本実施の形態にかかる構造は、上述の実施の形態１〜３に示した電力用半導体装置１００、２００、３００にも適用できる。

フレームの長さを変えた場合の、超音波接合の接合エネルギと接合強度との関係を表すグラフである。本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の断面図である。

符号の説明

１放熱板、２半田層、３パワー半導体素子、４フレーム、５ボンディングワイヤ、６絶縁層、７金属層、８モールド樹脂、１００電力用半導体装置。

Claims

放熱板に取り付けられた半導体素子と、該放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、
該放熱板の硬さが、該フレームの硬さより大きいことを特徴とする電力用半導体装置。
放熱板に取り付けられた半導体素子と、該放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、
該放熱板に設けられた突起部により、該放熱板と該フレームとが接合されたことを特徴とする電力用半導体装置。
放熱板に取り付けられた半導体素子と、該放熱板に超音波接合されたフレームとを含む電力用半導体装置であって、
該フレームに設けられた突起部により、該放熱板と該フレームとが接合されたことを特徴とする電力用半導体装置。
上記フレームが、上記放熱板との接合部と、末端部との間に、該フレームの長さを大きくする迂回部を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力用半導体装置。