JP2015220295A - パワーモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品信頼性を従来に比べて向上可能なパワーモジュール、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】パワー半導体素子２１，２２を導体層１３に接合した絶縁基板１１と、絶縁基板を収納するケース５１と、ケース内側に充填されパワー半導体素子、導体層、及び絶縁基板を封止する封止樹脂３１とを有するパワーモジュールであって、絶縁基板の周縁部に対応したアンカー領域１１ａにアンカー部材１１０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュール及びその製造方法に関する。

産業機器から家電あるいは情報端末まで、あらゆる製品にパワーモジュールが普及しつつある。また家電に搭載されるパワーモジュールについては、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性及び高い信頼性が求められる。
さらにまた、動作温度が高く、効率に優れている点で今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体に適用できるパッケージ形態であることも、パワーモジュールに併せて求められている。

日本国特許第４８３２４８６号

パワーモジュールは、高電圧及び大電流を扱うため発熱が大きいことから、効率的に排熱する目的で熱伝導率に優れたセラミック基板を絶縁基板として用いる場合が多い。またパワーモジュールは、パワー半導体素子の保護及び回路の絶縁を目的として樹脂封止を行う場合が多い。よって封止樹脂の硬化収縮及び温度サイクルによる熱応力により、封止樹脂とセラミック基板との界面での剥離あるいはクラック発生が、長期信頼性を確保する上での課題となる場合がある。

上記特許文献１では、リードフレームなどの金属板に対してプラズマ照射を行うことにより、その表面に微細な開口部を形成して封止樹脂との密着性を改善する方法が提案されている。しかしながら、絶縁性が高く、かつ膨張係数を小さく調整した封止樹脂には、シリカなどのフィラーが混合されている場合が多い。このフィラーのサイズが微細な開口部よりも大きい場合もあり、開口部にフィラーが浸透しにくく、その結果、アンカー効果が得にくいという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、製品信頼性を従来に比べて向上可能なパワーモジュール、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワーモジュールは、導体層が形成されパワー半導体素子を上記導体層に接合した絶縁基板と、この絶縁基板を収納するケースと、このケース内側に充填され上記パワー半導体素子、上記導体層、及び上記絶縁基板を封止する封止樹脂とを有するパワーモジュールであって、上記絶縁基板の周縁部に対応したアンカー領域にアンカー部材を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様におけるパワーモジュールによれば、封止樹脂の硬化収縮及び熱応力が発生しやすい絶縁基板の周縁部に対応したアンカー領域にアンカー部材を備えたことで、封止樹脂と絶縁基板の周縁部との接合度を従来に比べて増すことができる。したがって、絶縁基板と封止樹脂との界面で生じやすい剥離を抑制することが可能となる。その結果、従来に比べて製品信頼性を向上させることができ、また、製品の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの一例を示す断面図である。 図１に示すパワーモジュールの平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は図１に示すパワーモジュールの製造方法を説明するための図である。 図１に示すパワーモジュールの変形例でトランスファモールドにて作製した場合の断面図である。 本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの一例を示す断面図である。

本発明の実施形態であるパワーモジュール及びその製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また、以下ではパワーモジュールに限定して説明を行う。これは高い発熱性に起因する課題を解決するために以下に説明する各構成が特にパワーモジュールに有効であるからである。しかしながら、以下に説明する各構成は、パワー半導体素子ではない通常の半導体素子を封止した半導体モジュールにも適用可能である。

実施の形態１．
図１には、本発明の実施の形態１によるパワーモジュール１０１の概念図が示されている。また図２は、パワーモジュール１０１の平面図であり、構成を明示するため封止樹脂３１の充填前の状態を示している。
パワーモジュール１０１は、基本的構成部分として、絶縁基板１１と、ケース５１と、封止樹脂３１とを有し、さらに特徴的構成部分としてアンカー部材１１０を有する。
絶縁基板１１の表、裏主面には銅製の導体層１２、１３が形成され、裏面の導体層１３には、パワー半導体素子２１，２２が例えばはんだ接合される。ケース５１は、絶縁基板１１を収納可能な樹脂製の枠体で構成され、パワー半導体素子２１，２２と電気的に接続可能となる電極６１及び端子６２がインサートモールドされている。

アンカー部材１１０は、絶縁基板１１の周縁部に対応したアンカー領域１１ａに形成され、封止樹脂３１の硬化収縮及び熱応力が発生しやすい絶縁基板の周縁部と、封止樹脂３１との接合度を増すための部材である。本実施の形態１では、後述の製造方法で述べるように、アンカー領域１１ａに相当する、導体層１３の外周部１３ａを、引き起こして絶縁基板１１の周縁部側へ傾けて作製した、かえり部１１１がアンカー部材１１０に相当する。

封止樹脂３１は、ケース５１内に充填される樹脂材であり、ケース５１内に収納した絶縁基板１１、収納された絶縁基板１１に実装されているパワー半導体素子２１，２２、及び絶縁基板１１に形成したアンカー部材１１０、並びに、パワー半導体素子２１，２２に電気的に接続した電極６１及び端子６２を封止する。

以上説明したような構成を有する本実施の形態１のパワーモジュール１０１の製造方法について説明する。
図３の（ａ）に示すように、まず絶縁基板１１を準備する。本実施の形態１では、絶縁基板１１は、ＡｌＮ製のセラミック基板であり、一例として４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍのサイズである。このような絶縁基板１１の表、裏主面には、一例として厚さ０．４ｍｍの銅製の導体層１２、１３が形成される。ここで、アンカー領域１１ａに対応した、導体層１３の外周部１３ａのみは、アンカー部材１１０、本実施の形態１では、かえり部１１１を作製するために０．６ｍｍの厚さに形成されている。

次に、図３の（ｂ）に示すように、プレス金型１４を用いて、導体層１３の外周部１３ａを引き起こして絶縁基板１１の周縁部側へ傾けて、アンカー部材１１０つまり、かえり部１１１を形成する。

次に、図３の（ｃ）に示すように、絶縁基板１１の裏面の導体層１３に、パワー半導体素子２１，２２を例えばはんだ接合（はんだダイボンド）する。本実施の形態１では、パワー半導体素子２１は例えばダイオードであり、一例として１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのサイズである。パワー半導体素子２２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

次に、図３の（ｄ）に示すように、ケース５１が接着剤５２を用いて固定され、隙間を埋めることでダイレクトポッティング封止樹脂３１の漏れを防止している。本実施の形態１では、ケース５１はＰＰＳ樹脂製で、一例として４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍのサイズであり、接着剤５２はシリコーン製である。また、ケース５１には主端子６１がインサートモールドされており、パワー半導体素子２１，２２等におけるソース電極及びドレイン電極など大電流が流れる電極と、例えばはんだにて電気的に接続される。また、ケース５１の外周部には、ネジ止め電極６５（図２）が形成されている。

主端子６１（主端子６１ａ、６１ｂの総称）は、図２に示すように２つ配置される。一つの主端子６１ａの一端は、パワー半導体素子２１（ダイオード）における主回路電極２１ａ、及びパワー半導体素子２２（ＩＧＢＴ）におけるソース電極２２ａとそれぞれはんだ３で接続される。主端子６１ａの他端は、一方のネジ止め電極６５を形成している。もう一つの主端子６１ｂの一端は、絶縁基板１１の導体層１３に直接はんだ付けされ、パワー半導体素子２１，２２のドレイン電極と接続される。主端子６１ｂの他端は、他方のネジ止め電極６５を形成している。

次に、図３の（ｅ）に示すように、ケース５１に形成した信号端子６２は、ＩＧＢＴであるパワー半導体素子２２の制御端子２２ｂ（図２参照）に相当するゲート電極、温度センサー電極などとワイヤ６３でそれぞれ電気的に接続する。本実施の形態１では、信号端子６２は幅１．５ｍｍのサイズであり、ワイヤ６３はアルミ製でφ０．１５ｍｍのサイズである。

最後に、図１に示すように、ダイレクトポッティング封止樹脂３１を６０℃に加熱した状態で、ケース５１内に流し込み、真空脱泡して、加熱して硬化させて封止を完了する。ここでの加熱は、一例として１００℃で１．５時間行い、その後、１４０℃で１．５時間行う。このようにして、パワーモジュール１０１が完成する。

以上説明したパワーモジュール１０１では、従来と同様に、製造時における封止樹脂３１の硬化収縮、及び、動作中においてパワー半導体素子２１，２２が発する熱により、特に、絶縁基板１１の周縁部には、繰り返し熱応力が作用する。しかしながら、本実施の形態１のパワーモジュール１０１では、その絶縁基板１１の周縁部に対応したアンカー領域１１ａにアンカー部材１１０を備えたことで、封止樹脂３１と絶縁基板１１の周縁部との接合度を増すことができる。したがって、絶縁基板１１と封止樹脂３１との界面で生じやすい剥離を抑制することが可能となる。その結果、従来に比べて製品信頼性を向上させることができ、また、製品の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

上述のパワーモジュール１０１における構成部分に対する変形例に関して以下に説明する。
［変形例］
上述の説明では、絶縁基板１１はセラミック基板であり、その材料としてＡｌＮを用いているが、アルミナ及あるいはＳｉＮなどのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性を考慮する必要があまりない場合には、ガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。
また、ケース５１の材料としてＰＰＳを用いているが、ＬＣＰ（液晶ポリマー）を用いても同様の効果が得られる。
また、パワーモジュール１０１では、パワー半導体素子２１（ダイオード）とパワー半導体素子２２（ＩＧＢＴ）とが一対で１ｉｎ１のモジュール構成であるが、二対で２ｉｎ１、あるいは６対で６ｉｎ１のモジュール構成であっても、主端子となる金属板上に信号端子を配置することで同様の効果が得られる。

また、上述の構成では、パワー半導体素子２１，２２の主端子回路形成に対して板状の主端子６１を用いてはんだ付けを行ったが、銅製ワイヤあるいはアルミ被服銅ワイヤ、または金ワイヤあるいはリボンボンドを用いる、あるいは金属板を超音波接合するバスバーなどを用いても、同様の効果が得られる。
また、ダイレクトポッティング封止樹脂３１について、流し込んで常温硬化させる種類のものでも同様の効果が得られる。

また、パワー半導体素子２１，２２と絶縁基板１１との接続、及び主端子６１とパワー半導体素子２１，２２との接続に、はんだを用いたが、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、又はナノ粒子を低温焼成させるＡｇナノパウダ、あるいはＣｕナノパウダなどを用いても同様の効果が得られる。

また、図４に示すように、ケース５１を用いずに、金型を用いてトランスファモールド封止樹脂３５によって封止するトランスファモールドパッケージにおいても、アンカー領域１１ａによって信頼性の向上が期待できる。

実施の形態２．
図５には、実施の形態２によるパワーモジュール１０２の概念図を示している。
アンカー部材１１０として、上述した実施の形態１におけるパワーモジュール１０１では、絶縁基板１１に設けている導電層１３を利用して作製する形態を示した。本実施の形態２のパワーモジュール１０２では、上述のアンカー領域１１ａに相当した、導電層１３の外周部１３ａに、別途、金属片１１２を接合することでアンカー部材１１０を構成する。

このような構造であることから、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１では導電層１３の外周部１３ａは厚肉に形成したのに対し本パワーモジュール１０２では、導電層１３の外周部１３ａを厚肉にする必要はなく、導電層１３は、その全体が均一な厚さで形成されている。
また金属片１１２は、封止樹脂３１との係合性を向上させるため図５に示すように、金属片１１２の一端部は、導電層１３の外周部１３ａの端面を超えて導電層１３の外周側へ突出して配置させる、つまりオーバーハングさせるのがよい。
その他の構成は、上述した実施の形態１におけるパワーモジュール１０１の構成と変わる部分はなく、ここでの説明を省略する。よって以下には、金属片１１２の形成に関する工程について説明を行う。

実施の形態１にて説明したように、絶縁基板１１に導電層１２，１３を形成した後、パワー半導体素子２１，２２を接合する前に、導体層１３の外周部１３ａに金属片１１２を超音波接合によって、オーバーハング部を形成するように接合する。本実施の形態２では、金属片１１２はアルミニウム製で、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍ、奥行き１８ｍｍのサイズである。
以後、実施の形態１において図３の（ｃ）から（ｅ）を参照して説明した工程、並びにダイレクトポッティング封止樹脂３１の流入、加熱及び硬化の上述した工程が順次行われ、図５に示す本実施の形態２におけるパワーモジュール１０２が完成する。

以上説明したパワーモジュール１０２においても、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１と同様に、絶縁基板１１の周縁部に対応したアンカー領域１１ａにアンカー部材１１０つまり金属片１１２を備えたことで、封止樹脂３１と絶縁基板１１の周縁部との接合度を増すことができる。したがって、絶縁基板１１と封止樹脂３１との界面で生じやすい剥離を抑制することが可能となる。その結果、従来に比べて製品信頼性を向上させることができ、また、製品の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

また、実施の形態１における［変形例］欄に記載した、パワーモジュールの各構成部分に対する変形例に関する説明は、本実施の形態２におけるパワーモジュール１０２に対しても適用可能である。

実施の形態３．
図６には、実施の形態３によるパワーモジュール１０３の概念図を示している。
上述した実施の形態１、２では、絶縁基板１１に設けている導電層１３を利用してアンカー部材１１０を形成する形態を示した。一方、本実施の形態３のパワーモジュール１０３では、上述のケース５１に直接又は間接に保持される一端と、上述のアンカー領域１１ａに相当する、絶縁基板１１の周縁部に接合する他端とを有する連結片１１３及び連結片１１４の少なくとも一方をアンカー部材１１０として用いる。以下に詳しく説明する。

アンカー部材１１０を構成する連結片１１３について説明を行う。
連結片１１３は、図６において左側に示すように、本実施の形態３では一例として金属製の端子形状物から形成される。その一端１１３ａは、主端子６１ａから分岐した分岐部分に相当する。実施の形態１にて説明したように、主端子６１ａは、ケース５１にインサートモールドされていることから、連結片１１３の一端１１３ａは、ケース５１に間接的に保持される。連結片１１３の他端１１３ｂは、絶縁基板１１に形成した導体層１５に例えばはんだ接合される。この導体層１５は、アンカー領域１１ａに相当する、絶縁基板１１の周縁部に、導電層１３とは独立して、つまり導電層１３と電気的に導通することなく、形成される。

図６では、左側に連結片１１３を設け、右側に連結片１１４を設けた構成を図示するが、連結可能な主端子（電極等）がパワーモジュール１０３の右側にも存在する形態であれば、連結片１１４に代えて連結片１１３を設けて左右両側に連結片１１３を設置してもよい。

また本実施の形態３では、主端子６１ａに接続する形態であることから連結片１１３は金属製である。しかしながら、製造時における封止樹脂３１の硬化収縮、及び、動作中においてパワー半導体素子２１，２２が発する熱により、絶縁基板１１の周縁部に作用する熱応力に対して十分に耐え得る接合力が得られる場合には、連結片１１３は金属製でなくてもよい。尚、連結片１１３が非金属製である場合には、導電層１５を設ける必要はなくなる。非金属製の連結片１１３は、接着剤等で主端子６１ａ及び絶縁基板１１と固定されることになる。

次に、アンカー部材１１０を構成する連結片１１４について説明を行う。
連結片１１４は、図６において右側に示すように、本実施の形態３では一例として金属製の端子形状物から形成される。その一端１１４ａは、ケース５１に突入しケース５１に直接、保持される。連結片１１４の他端１１４ｂは、上述した導体層１５に例えばはんだ接合される。

また連結片１１４においても連結片１１３の場合と同様に、図６において、連結片１１３に代えて連結片１１４を設けて左右両側に連結片１１４を設置してもよい。
また連結片１１４においても金属製である必要はない。

以上説明したパワーモジュール１０３においても、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１と同様に、絶縁基板１１の周縁部に対応したアンカー領域１１ａにアンカー部材１１０つまり連結片１１３及び連結片１１４の少なくとも一方を備えたことで、封止樹脂３１と絶縁基板１１の周縁部との接合度を増すことができる。特に本パワーモジュール１０３では、パワーモジュール１０１，１０２と比べると、主端子６１ａあるいはケース５１と連結片１１３及び連結片１１４との間に封止樹脂３１が回り込むスペースを形成しており、アンカー部材１１０におけるオーバーハングサイズがより大きくなると考えられる。よって、ケース５１に対する封止樹脂３１の固定をより確実なものにすることができ、絶縁基板１１と封止樹脂３１との接合度をより増すことができる。したがって、絶縁基板１１と封止樹脂３１との界面で生じやすい剥離を抑制することが可能となる。その結果、従来に比べて製品信頼性を向上させることができ、また、製品の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

また、実施の形態１における［変形例］欄に記載した、パワーモジュールの各構成部分に対する変形例に関する説明は、本実施の形態３におけるパワーモジュール１０３に対しても適用可能である。

１１ 絶縁基板、１１ａ アンカー領域、１２，１３ 導体層、
２１，２２ パワー半導体素子、３１ 封止樹脂、５１ ケース、
１０１〜１０３ パワーモジュール、１１０ アンカー部材、
１１１ かえり部、１１２ 金属片、１１３，１１４ 連結片。

Claims (7)

1. 導体層が形成されパワー半導体素子を上記導体層に接合した絶縁基板と、この絶縁基板を収納するケースと、このケース内側に充填され上記パワー半導体素子、上記導体層、及び上記絶縁基板を封止する封止樹脂とを有するパワーモジュールであって、
   上記絶縁基板の周縁部に対応したアンカー領域にアンカー部材を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 上記アンカー部材は、上記アンカー領域に相当した、上記導体層の外周部を引き起こし上記絶縁基板の周縁部側へ傾けたかえり部である、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 上記アンカー部材は、上記アンカー領域に相当した、上記導体層の外周部に接合した金属片である、請求項１に記載のパワーモジュール。
4. 上記アンカー部材は、上記ケースに直接又は間接に保持される一端と、上記アンカー領域に接合する他端とを有する連結片である、請求項１に記載のパワーモジュール。
5. 上記一端は、上記ケース内を延在する電極から分岐した分岐部分に相当する、請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 上記一端は、上記ケース内に終端し保持される保持部分に相当する、請求項４に記載のパワーモジュール。
7. パワー半導体素子を導体層に接合した絶縁基板が収納されたケース内に封止樹脂を充填して形成されるパワーモジュールの製造方法であって、
   上記絶縁基板に上記導体層を形成した後、上記パワー半導体素子の接合前に、上記絶縁基板の周縁部に対応したアンカー領域にアンカー部材を形成することを備えたことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。

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