JP2007027261A - Power module - Google Patents
Power module Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007027261A JP2007027261A JP2005204463A JP2005204463A JP2007027261A JP 2007027261 A JP2007027261 A JP 2007027261A JP 2005204463 A JP2005204463 A JP 2005204463A JP 2005204463 A JP2005204463 A JP 2005204463A JP 2007027261 A JP2007027261 A JP 2007027261A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ceramic substrate
- wiring
- power module
- semiconductor element
- power semiconductor
- 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.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
- H01L2224/48139—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous wire daisy chain
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
- H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
- H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4912—Layout
- H01L2224/49175—Parallel arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73265—Layer and wire connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/181—Encapsulation
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、放熱特性に優れたパワーモジュール、特にトランスファーモールド型のパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module excellent in heat dissipation characteristics, particularly to a transfer mold type power module.
パワーモジュールにおいては、電気的な絶縁を確保しながら、パワー半導体素子から発生する熱をいかに放熱するかが重要である。
従来のパワーモジュールとしては、導電体板を設けたセラミック基板を放熱板上に取り付け、上記導電体板に半導体チップ(パワー半導体素子)を搭載し、上記セラミック基板における導電体板の周囲端部に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の固体絶縁物を配置し、上記セラミック基板を囲うように上記放熱板上にケースを設け、このケース内にシリコーンゲルを封止樹脂として充填したものがある(例えば、特許文献1参照)。
In a power module, it is important how to dissipate heat generated from a power semiconductor element while ensuring electrical insulation.
As a conventional power module, a ceramic substrate provided with a conductor plate is mounted on a heat radiating plate, a semiconductor chip (power semiconductor element) is mounted on the conductor plate, and the periphery of the conductor plate in the ceramic substrate is mounted. There is a case in which a solid insulator such as an epoxy resin, a phenol resin, or a polyimide resin is disposed, a case is provided on the heat sink so as to surround the ceramic substrate, and silicone gel is filled as a sealing resin in the case (For example, refer to Patent Document 1).
上記従来のパワーモジュールは、放熱特性に優れているがコストが高く、封止樹脂として用いたシリコーンゲルは柔軟性があるが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の硬い絶縁物を封止樹脂として用いたものに比べて破壊電圧が低い。
一方、上記硬い絶縁物を封止樹脂とし、セラミック基板を用いて、量産性に優れたトランスファーモールドによりパワーモジュールを製造する方法が用いられるが、この方法では、上記封止樹脂と配線セラミック基板とでは線膨張係数が大きく異なるため、製造工程中または使用中において、封止樹脂とセラミック基板の間に応力が発生し、上記封止樹脂の配線セラミック基板との界面における剥離やセラミック基板の割れが発生するという課題がある。
The above conventional power module is excellent in heat dissipation characteristics but high in cost, and the silicone gel used as a sealing resin is flexible, but a hard insulator such as an epoxy resin, a phenol resin, or a polyimide resin is used as the sealing resin. The breakdown voltage is lower than that used in the above.
On the other hand, a method of manufacturing a power module by transfer molding excellent in mass productivity using a hard insulating material as a sealing resin and a ceramic substrate is used. In this method, the sealing resin and a wiring ceramic substrate are used. Since the linear expansion coefficient differs greatly, stress is generated between the sealing resin and the ceramic substrate during the manufacturing process or during use, and peeling at the interface between the sealing resin and the wiring ceramic substrate or cracking of the ceramic substrate occurs. There is a problem that occurs.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、放熱性に優れ、クラックや剥離が防止された、トランスファーモールド型のパワーモジュールを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a transfer mold type power module that has excellent heat dissipation and prevents cracking and peeling.
本発明に係るパワーモジュールは、セラミック基板に配線層が形成されてなる複数の配線セラミック基板と、少なくとも一つの上記配線層に搭載されたパワー半導体素子と、上記複数の配線セラミック基板および上記パワー半導体素子をモールドする封止樹脂と、上記複数の配線セラミック基板に接合された接合部材とを備えたものである。 A power module according to the present invention includes a plurality of wiring ceramic substrates each having a wiring layer formed on a ceramic substrate, a power semiconductor element mounted on at least one of the wiring layers, the plurality of wiring ceramic substrates, and the power semiconductor. A sealing resin for molding the element and a bonding member bonded to the plurality of wiring ceramic substrates are provided.
本発明によれば、配線セラミック基板を複数個用いることにより、セラミック基板のクラックや封止樹脂の剥離が防止された、トランスファーモールド型のパワーモジュールを得ることができるという効果がある。 According to the present invention, by using a plurality of wiring ceramic substrates, there is an effect that a transfer mold type power module in which cracking of the ceramic substrate and peeling of the sealing resin are prevented can be obtained.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1おける、トランスファーモールド用の封止樹脂6を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図であり、図2(a)、(b)は、各々図1のa−a線における断面図と、b−b線における断面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、4個の配線セラミック基板1にそれぞれ各1個のパワー半導体素子2が搭載されたもので、上記配線セラミック基板1はセラミック基板1aに配線層1bが形成されたものからなり、上記配線セラミック基板1の配線層1bに各1個のパワー半導体素子2がダイボンド剤4により搭載されている。また、接合部材3aが上記配線セラミック基板1のセラミック基板1aに、接合部材3bが配線層1bに接合され、接合部材3cが配線層1bに接合されるとともに別の配線セラミック基板1に架設されている。また、パワー半導体素子2の上面とリード3x間およびパワー半導体素子2の上面と接合部材3b間は、ワイヤ5により接続され、封止樹脂6で封止されたトランスファーモールド型のものである。なお、本実施の形態に係わる上記接合部材3a〜3cは、製造工程において有効となるもので、詳細は下記に示す。
また、図1に示すように、本実施の形態のパワーモジュールは、上記配線セラミック基板1における、パワー半導体素子2の搭載面の反対面を露出させてモールドされているので高い放熱性を維持することができる。
FIG. 1 is a top view showing a schematic configuration of a power module seen through a transfer
In the power module of the present embodiment, one
Further, as shown in FIG. 1, the power module of the present embodiment is molded by exposing the surface opposite to the mounting surface of the
図3(a)〜(e)は、本実施の形態における、トランスファーモールドによるパワーモジュールの製造方法の概略を示す工程図である。
まず、図3(a)に示すように、半田をダイボンド剤4として、パワー半導体素子2を配線セラミック基板1の配線層1bの所定位置に固定する。上記のように、ダイボンド剤4として半田を用いる場合は、上記配線層1bの表面にニッケルメッキが施されているのが好ましいが、ダイボンド剤4として導電性樹脂を用いたり、ダイボンド剤4として半田を用いて還元雰囲気下で固定する場合は必ずしも必要ではない。
また、図3(b)に示すリードフレーム3を用意する。つまり、リードフレーム3は、トランスファーモールドにおいて固定部材となるフレーム30と、一方が上記フレーム30に接合したリード3a、3b、3c、3xとからなる。また、上記リード3a、3b、3cは各々配線セラミック基板1に接合するように設けられ、本実施の形態に係わる接合部材となるものである。
なお、リードフレーム3の材質は特に限定されるものではないが、導電性に優れるとともに安価であることから、銅およびその合金が好ましく、半田とのぬれ性改善や酸化防止の面から、表面にニッケル等によるメッキを施していてもよい。
3A to 3E are process diagrams showing an outline of a method of manufacturing a power module by transfer molding in the present embodiment.
First, as shown in FIG. 3A, the
Also, a
The material of the
次に、図3(c)に示すように、上記リードフレーム3の接合部材(リード)3a、3b、3cの先端部に、パワー半導体素子2を搭載した複数の配線セラミック基板1を載置し、接合部材3a、3b、3cを各配線セラミック基板1に接合することにより、配線セラミック基板1をフレーム30に固定する。接合部材3cは配線セラミック基板1間に架設され、複数の配線セラミック基板1を効率良くフレーム30に安定に固定することができる。
なお、上記接合部材3a、3b、3cと配線セラミック基板1の配線層1bとの接合は、半田接合、溶接または超音波接合などにより行われ、配線セラミック基板1のセラミック基板1aとの接合は接着剤により行う。
また、パワー半導体素子の上面とリード3x間は、通常アルミワイヤ5を用いてワイヤボンドで接続するが、電流量を多く流す必要があれば金属板を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 3 (c), a plurality of wiring
The bonding members 3a, 3b, and 3c and the wiring layer 1b of the wiring
Further, the upper surface of the power semiconductor element and the
次に、図3(d)に示すように、図では金型を省略しているが、複数の配線セラミック基板1を固定したリードフレーム3を、約180℃に設定した金型内に設置し、例えばエポキシ樹脂に無機フィラーを充填した封止樹脂6を注入して硬化させ、量産性に優れているトランスファーモールドにより成型する。
その後、図3(e)に示すように、フレーム30を切断除去して本実施の形態のパワーモジュールを得る。
上記のように、本実施の形態においては、接合部材3a、3b、3cにより、複数の配線セラミック基板1がフレーム30に安定に固定されるので、量産性に優れたトランスファモールドにより信頼性よくパワーモジュールを製造することができる。
Next, as shown in FIG. 3 (d), although the mold is omitted in the figure, the
Thereafter, as shown in FIG. 3 (e), the
As described above, in the present embodiment, since the plurality of wiring
なお、上記パワーモジュールの製造工程中や使用中における、封止樹脂6の配線セラミック基板1との界面における剥離やセラミック基板1aの割れは、配線セラミック基板1が小さい程、より正確にはセラミック基板1a面の最長の対角線長さが短い程発生し難くなる。
つまり、上記封止樹脂6と配線セラミック基板1との界面においては、トランスファーモールド時に封止樹脂6が反応によって収縮するために発生する硬化収縮応力と、封止樹脂6と配線セラミック基板1の線膨張率の違いにより、成形時の温度と使用時の温度の差に基づいて発生する熱応力との合算の応力(合算応力)が発生する。
上記合算応力は配線セラミック基板1の中央部からの距離が長くなる程大きくなり、上記剥離または割れが生じやすくなるので、本実施の形態のパワーモジュールでは、配線セラミック基板1を複数個として一個当たりの配線セラミック基板1を小さくし、上記各配線セラミック基板1の中央部からの距離を短く、つまり、セラミック基板1a面の最長の対角線長さを短くすることにより、相対的に上記合算応力を小さくして、上記剥離または割れを防止しようとするものである。
Note that peeling of the
That is, at the interface between the
The total stress increases as the distance from the center of the wiring
表1は、実施の形態1−1〜3および比較例1、2のパワーモジュールにおける、四角形のセラミック基板1aの二辺のサイズと最長の対角線長さ、パワー半導体素子2の個数、並びに評価結果を示したものである。
なお、パワーモジュールの評価は、上記パワーモジュールの製造工程終了直後、並びに上記パワーモジュールに、「−40℃での30分間保持と125℃での30分間保持」を1サイクルとして、300サイクルおよび1000サイクルのヒートサイクル試験を実施し、封止樹脂6の配線セラミック基板1との界面における剥離(表中に剥離と記載)またはセラミック基板1aのクラック(表中、割れと記載)が生じたパワーモジュールの割合を不良率として示すことにより行った。
また、300サイクルは民生用や一般産業用などで要求される信頼性レベル、1000サイクルは自動車用などで要求される高信頼性レベルである。
Table 1 shows the sizes of the two sides of the rectangular ceramic substrate 1a, the longest diagonal length, the number of
The power module is evaluated immediately after the manufacturing process of the power module is completed, and in the power module, 300 cycles and 1000 cycles with “holding at −40 ° C. for 30 minutes and holding at 125 ° C. for 30 minutes” as one cycle. A power module in which a heat cycle test of the cycle was performed and peeling (described as peeling in the table) or cracking (described as cracking) in the ceramic substrate 1a occurred at the interface between the
Further, 300 cycles is a reliability level required for consumer use and general industrial use, and 1000 cycles is a high reliability level required for automobile use.
つまり、封止樹脂6として、線膨張係数が10×10−6/℃、曲げ弾性率が20GPa、ガラス転移温度が160℃、硬化収縮率が約0.2%の樹脂を用い、配線セラミック基板1として、アルミナ(Al2O3)からなり厚さが0.635mmで表1に示す各大きさの四角形のセラミック基板1aに、0.2mm厚の銅層を設けたものを用い、パワー半導体素子として、表1に示す個数のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはダイオードを搭載して製造したパワーモジュールの上記不良率を検出した。
表1に示すように、配線セラミック基板1として、16×48(mm)のセラミック基板1aを用い、12個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール(比較例1)では製造直後で不良率が100%であったのに対して、上記比較例1で用いたセラミック基板1aを3分割した大きさに相当するセラミック基板1aを3個用い、上記各配線セラミック基板1に各4個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール(実施の形態1−1)、および2分割した大きさに相当するセラミック基板1aを2個用い、上記各配線セラミック基板1に各6個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール(実施の形態1−2)では、上記1000サイクルのヒートサイクル試験においても割れは生じていない。また、配線セラミック基板1として、38×38(mm)の大きさのセラミック基板1aを用い、4個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール(比較例2)では300サイクル後の不良率が100%であったのに対して、上記比較例2で用いたセラミック基板1aを4分割した大きさに相当するセラミック基板1aを4個用い、上記各配線セラミック基板1に各1個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール(実施の形態1−3)では1000サイクルのヒートサイクル試験においても割れは生じていない。
以上のことから、配線セラミック基板1を複数個用いることにより、配線セラミック基板1と封止樹脂6との界面に発生する応力を低減することで、配線セラミック基板1の割れや界面での剥離を防止でき、ヒートサイクル信頼性が向上することが示される。
なお、上記のように、本実施の形態における配線セラミック基板1は、セラミック基板1aに配線層1bとして0.2〜0.3mmの銅層を直接接合したものが用いられるが、上記セラミック基板1aと配線層1bとは強固に接合されて1つのバイメタルとして作用し、また、セラミック基板1aが配線層1bより厚く、配線セラミック基板1の端部はセラミック基板1aが露出し、上記端部で剥離が発生して界面全域に広がり易いことから、封止樹脂6と配線セラミック基板1との線膨張率の違いによる熱応力に対しては、セラミック基板1aの大きさ、つまりセラミック基板1a面の対角線長さが大きく影響する。
That is, as the
As shown in Table 1, in the power module (Comparative Example 1) in which a ceramic substrate 1a of 16 × 48 (mm) is used as the wiring
From the above, by using a plurality of wiring
As described above, the
表2は、実施の形態1−4〜8と比較例3〜5のパワーモジュールにおける、四角形のセラミック基板1aの二辺のサイズと最長の対角線長さ、パワー半導体素子2の個数、並びに評価結果を示す。また、不良率は、上記と同様にしてパワーモジュールを製造して得たものである。
Table 2 shows the size and the longest diagonal length of the square ceramic substrate 1a, the number of
表1、表2に示すように、比較例1〜比較例5では製造工程後にすでに不良が発生しているのに対して、実施の形態1−1〜8(セラミック基板1a面の最長の対角線長さが41mm以下)では、上記300サイクルのヒートサイクル試験においても不良が見られず、実施の形態1−1〜6(セラミック基板1a面の最長の対角線長さが34mm以下)では、上記1000サイクルのヒートサイクル試験においても不良が見られないことから、セラミック基板1a面の最長の対角線長さは41mm以下が好ましく、34mm以下が特に好ましいことがわかる。なお、本実施の形態に係わるセラミック基板1aは、搭載されるパワー半導体素子を越える大きさであるのが好ましいが、上記接合部材との接合安定のためには上記パワー半導体素子の大きさの1.2倍以上であるのがより好ましい。
As shown in Tables 1 and 2, in Comparative Examples 1 to 5, defects were already generated after the manufacturing process, whereas Embodiments 1-1 to 8 (the longest diagonal line of the ceramic substrate 1a surface) When the length is 41 mm or less, no defect is observed in the 300-cycle heat cycle test. In Embodiments 1-1 to 6 (the longest diagonal length of the ceramic substrate 1a surface is 34 mm or less), 1000 Since no defect is observed in the heat cycle test of the cycle, it can be seen that the longest diagonal length of the surface of the ceramic substrate 1a is preferably 41 mm or less, and particularly preferably 34 mm or less. The ceramic substrate 1a according to the present embodiment preferably has a size that exceeds the power semiconductor element to be mounted. However, in order to stabilize the bonding with the bonding member, the ceramic substrate 1a has a
本実施の形態に係わる配線セラミック基板1におけるセラミック基板1aとしては、絶縁性で熱伝導性が良好なアルミナ(Al2O3)(熱伝導率:20〜40W/mK,線膨張係数:約7×10−6/℃)、信頼性やコストの面から好ましい窒化アルミ(AlN)(熱伝導率70〜200W/mK,線膨張係数:約4×10−6/℃)、強度が強い窒化ケイ素(Si3N4)(熱伝導率30〜80W/mK,線膨張係数:約3×10−6/℃)のセラミック基板用いられ、封止樹脂6としてはエポキシ樹脂に溶融シリカを80重量%以上充填したもので、線膨張係数が8〜12×10−6/℃のものが用いられる。
また、本実施の形態に係わるセラミック基板1aの厚さは0.2〜1.0mmであるのが好ましく、セラミック基板1aの厚さが0.2mm未満では絶縁性や強度が低下する可能性があり、1.0mmを越えると放熱性が悪くなる。
なお、本実施の形態に係わる配線セラミック基板1におけるセラミック基板1aとして、0.2〜1.0mm厚のアルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)または窒化ケイ素(Si3N4)のセラミック基板を用いた場合も、本実施の形態と同様の結果が得られた。
As the ceramic substrate 1a in the
Moreover, it is preferable that the thickness of the ceramic substrate 1a according to the present embodiment is 0.2 to 1.0 mm, and if the thickness of the ceramic substrate 1a is less than 0.2 mm, there is a possibility that the insulation and the strength are lowered. Yes, if it exceeds 1.0 mm, the heat dissipation becomes worse.
The ceramic substrate 1a in the
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2における、封止樹脂6を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図、図5は図4のB−B線における断面図、図6は本実施の形態における、配線セラミック基板1のパワー半導体素子2の搭載面の反対面から見たパワーモジュールの概略構成を示す下面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、2個の配線セラミック基板1に各々2個のパワー半導体素子2が搭載され、接合部材3d、3e、3fと接合され、配線セラミック基板1のパワー半導体素子2の搭載面の反対面に銅層等の金属層1cが設けられ、また、図5に示すように、配線セラミック基板1のパワー半導体素子2の搭載面の反対面に、外周端領域1dを除いて内側に銅層等の金属層1cが設けられ、封止樹脂6が上記金属層1cが設けられていない外周端領域1dに連続して設けられている他は実施の形態1と同様である。本実施の形態のパワーモジュールは、配線セラミック基板1のパワー半導体素子の搭載面の反対面に金属層1cと封止樹脂6を設けることにより、高い放熱性を維持するとともに、セラミック基板1aを保護することができる。
4 is a top view showing a schematic configuration of the power module seen through the sealing
In the power module of the present embodiment, two
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3における、封止樹脂6を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図、図8は図7のC−C線における断面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、実施の形態1において、パワー半導体素子2が搭載された部分以外の配線セラミック基板1上に、応力緩和層7を設けている他は実施の形態1と同様である。本実施の形態において、エポキシ樹脂を封止樹脂6として用いると、上記応力緩和層7として、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂等を用いることにより、セラミック基板1aと封止樹脂6との間に発生する応力を緩和することができる。なお、上記応力緩和層7は、パワー半導体素子2の上面を被覆せず、配線セラミック基板1の全面を被覆することが好ましく、厚さが0.03〜0.20mmであると効果的に応力を緩和することができる。
7 is a top view showing a schematic configuration of a power module seen through the sealing
The power module of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the
なお、上記実施の形態1〜実施の形態3においては、配線セラミック基板1に搭載された半導体素子が全てパワー半導体素子2である場合を示したが、パワー半導体素子2の一部が駆動半導体素子等、他の半導体素子で置換されていても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In the first to third embodiments, the case where all the semiconductor elements mounted on the
1 配線セラミック基板1、1a セラミック基板、1b 配線層、1c 金属層、1d 外周端領域、2 パワー半導体素子、3a、3b、3c、3d、3e、3f 接合部材(リード)、3x リード、6 封止樹脂。
1 Wiring
Claims (5)
A semiconductor element is mounted on the wiring ceramic substrate, at least one of the semiconductor elements is a power semiconductor element, and a metal layer is provided on a surface opposite to the mounting surface of the semiconductor element except for at least a part of the outer peripheral end region. The power module according to claim 1, wherein the sealing resin is continuously provided in a region where the metal layer on the opposite surface is not provided.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005204463A JP2007027261A (en) | 2005-07-13 | 2005-07-13 | Power module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005204463A JP2007027261A (en) | 2005-07-13 | 2005-07-13 | Power module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007027261A true JP2007027261A (en) | 2007-02-01 |
Family
ID=37787672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005204463A Pending JP2007027261A (en) | 2005-07-13 | 2005-07-13 | Power module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007027261A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008288564A (en) * | 2007-03-28 | 2008-11-27 | Ixys Semiconductor Gmbh | Power semiconductor module and arrangement of printed circuit board, and power semiconductor module |
JP2013042135A (en) * | 2011-08-16 | 2013-02-28 | General Electric Co <Ge> | Power overlay structure with leadframe connections |
JP2014090136A (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-15 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
KR20170026557A (en) | 2014-07-04 | 2017-03-08 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Substrate unit for power modules, and power module |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04179152A (en) * | 1990-11-08 | 1992-06-25 | Fujitsu Ltd | Integrated circuit device |
JPH09129822A (en) * | 1995-10-26 | 1997-05-16 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JP2003031765A (en) * | 2001-07-17 | 2003-01-31 | Hitachi Ltd | Power module and inverter |
JP2004111560A (en) * | 2002-09-17 | 2004-04-08 | Toshiba Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
-
2005
- 2005-07-13 JP JP2005204463A patent/JP2007027261A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04179152A (en) * | 1990-11-08 | 1992-06-25 | Fujitsu Ltd | Integrated circuit device |
JPH09129822A (en) * | 1995-10-26 | 1997-05-16 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
JP2003031765A (en) * | 2001-07-17 | 2003-01-31 | Hitachi Ltd | Power module and inverter |
JP2004111560A (en) * | 2002-09-17 | 2004-04-08 | Toshiba Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008288564A (en) * | 2007-03-28 | 2008-11-27 | Ixys Semiconductor Gmbh | Power semiconductor module and arrangement of printed circuit board, and power semiconductor module |
JP2013042135A (en) * | 2011-08-16 | 2013-02-28 | General Electric Co <Ge> | Power overlay structure with leadframe connections |
JP2014090136A (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-15 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
KR20170026557A (en) | 2014-07-04 | 2017-03-08 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Substrate unit for power modules, and power module |
US9837363B2 (en) | 2014-07-04 | 2017-12-05 | Mitsubishi Materials Corporation | Power-module substrate unit and power module |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6300633B2 (en) | Power module | |
US10283432B2 (en) | Molded package with chip carrier comprising brazed electrically conductive layers | |
US10510640B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device | |
US8569890B2 (en) | Power semiconductor device module | |
JP5602077B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5472498B2 (en) | Power module manufacturing method | |
US20150008570A1 (en) | Semiconductor device | |
JP6336138B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6676079B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2016018866A (en) | Power module | |
JP2011216564A (en) | Power module and method of manufacturing the same | |
JP6308780B2 (en) | Power module | |
JP2006013080A (en) | Semiconductor module and manufacturing method thereof | |
JP6305176B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method | |
JP3972821B2 (en) | Power semiconductor device | |
JP6360035B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6303776B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2012209470A (en) | Semiconductor device, semiconductor device module, and manufacturing method of the semiconductor device | |
JP2015170785A (en) | Insulation substrate and electric power semiconductor device | |
JP2007012831A (en) | Power semiconductor device | |
JP5258825B2 (en) | Power semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2016143846A (en) | Semiconductor device | |
JP2007027261A (en) | Power module | |
JP2017135144A (en) | Semiconductor module | |
JP7157783B2 (en) | Semiconductor module manufacturing method and semiconductor module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071017 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080331 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100727 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20101214 |