JP6887476B2

JP6887476B2 - 半導体パワーモジュール

Info

Publication number: JP6887476B2
Application number: JP2019200438A
Authority: JP
Inventors: 一貴新; 隼人中田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2039-11-05
Also published as: JP2021077661A

Description

本願は、半導体パワーモジュールの構造に関するものである。

半導体素子を用いた半導体パワーモジュールは、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂で封止したトランスファーモールド型のパワーモジュールと、ゲル状樹脂で封止したゲル封止型のパワーモジュールが使用されている。

トランスファーモールド型のパワーモジュールは、主に半導体素子および電極の電気的接続はワイヤーボンディングで行う。一方、ゲル封止型のパワーモジュールでは、半導体素子と電極を直接接合するＤＬＢ（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｌｅａｄ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれる接続方法が多く用いられており、最近では半導体との主な接続はＤＬＢを用いて、ワイヤーボンディング接続を併用したトランスファーモールド封止を行うパワーモジュール構造の開発もされている(特許文献１)。

特開２０１４−３６０７７号公報

特許文献１において、ＤＬＢ接続とワイヤーボンディング接続を併用して電極と半導体素子を接続している。それらをトランスファーモールド封止する構造では、ワイヤーボンディングを行う電極はその接合部の下側に治具を設けなくてはならず、半導体素子を実装しているベース電極の実装面上の外側にこれら電極を配置する必要があり、モジュールの全体が大型化するという課題があった。

これはワイヤーボンディング工程上、接合時にワイヤーボンディング装置からボンディングワイヤーへ与える荷重または超音波等の振動を受け止める下治具が必要となるためであり、ワイヤーボンディングの接合部分が自由端のような状態では、接合部がボンディング時に必要な荷重または超音波等の振動をうまく受けることができず、ボンディングワイヤーと電極間の接合が不良となり、製造工程上での破断など信頼性が低下するといったリスクが生まれるためである。

本願は、上記課題に鑑みてなされたものであって、半導体素子を実装しているベース電極の実装面上においてもワイヤーボンディングが可能な電極を設けた半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。

本願に開示される半導体パワーモジュールは、第一の電極と、前記第一の電極の上に設けられた半導体素子と、前記第一の電極の上に設けられた絶縁部材と、前記絶縁部材を介して設けられ、前記半導体素子とのワイヤーボンディングの接合部を有する第二の電極と、前記半導体素子の上に接合された第三の電極と、前記第一の電極に接続された第四の電極と、を備え、前記第二の電極の前記接合部は、前記第二の電極を支える前記絶縁部材の上方に配設され、前記絶縁部材は、第二の電極を支えると共に、前記第一の電極と前記第三の電極との間、および前記第一の電極と前記第四の電極との間に設けられ、前記第三の電極および前記第四の電極を支えるものである。

本願によれば、第一の電極の上に設けられた絶縁部材を介して第二の電極を設け、半導体素子とのワイヤーボンディングの接合部が、第二の電極を支える前記絶縁部材の上方に配設されているので、第一の電極の実装面上にワイヤーボンディングが可能な第二の電極を持つことが可能となった。そのため、モジュールの全体が大型化することなく、かつ、ワイヤーボンディングの接合部に必要な荷重または超音波等の振動を十分に受け止めることができる信頼度の高い接合部を実現できる。

実施の形態１における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。実施の形態２における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である。実施の形態３における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である実施の形態４における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である。実施の形態５における半導体パワーモジュールの構造を示す正面模式図である。

実施の形態１．
図１は、本願の実施の形態１の半導体パワーモジュールの構造を示す模式図であり、図１（Ａ）は平面図を、図１（Ｂ）は正面図を示す。図１（Ａ）および（Ｂ）において、半導体パワーモジュール１００は、半導体素子１、この半導体素子１が上面に設けられたベース電極となる第一の電極２、半導体素子１に外部からの制御信号を伝える第二の電極３、半導体素子１の出力を外部に取り出す出力端子となる第三の電極４、第一の電極２に接続され、外部からの入力を受ける入力端子となる第四の電極５を備えている。この第四の電極５は図中破線の位置でＬ字状に折れて第一の電極２に接続されている。また、第一の電極２の上に絶縁部材６を介して第二の電極３が設けられる。この第二の電極３と半導体素子１は、ボンディングワイヤー７によって、接合部７ａで接続されている。その接合部７ａは第一の電極２の実装面上で第二の電極３を支える絶縁部材６の上方に配設されている。また、これらの構成要素は封止樹脂８によって封止されている。なお、説明の都合上、図１（Ａ）および（Ｂ）は封止樹脂８が透かされた状態で示されている。

半導体素子１は、たとえばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力制御用半導体素子といったパワー半導体素子が用いられる。なお、半導体素子１は、シリコン製半導体素子の他に、シリコンに比べてバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体、例えば、窒化ケイ素または窒化ガリウムなどがあり、印加できる許容電流密度が高く、電力損失も低い為、半導体パワーモジュール１００の小型化が可能となる。

図１では、１つのパワーモジュール内に１つの半導体素子１しか搭載されていないが、これに限定するものではなく、使用される用途に応じて、必要な個数の半導体素子１を搭載することが可能である。また、半導体素子１と第一の電極２は、たとえばハンダ、Ａｇナノ粒子、またはＣｕナノ粒子からなる焼結剤などにより接合されている。

第一の電極２、第二の電極３、第三の電極４、および第四の電極５はたとえば銅または銅合金など熱伝導率が高く、放熱性に優れた金属材料を使用することで半導体パワーモジュール１００を小型化することができる。第一の電極２の半導体素子１の実装面との反対側の面は、封止樹脂８より露出しており、半導体素子１、第三の電極４、および第四の電極５で発生した熱を放熱している。

第三の電極４は、半導体素子１の上面とたとえばハンダにより接合されており（図示なし）、第四の電極５は第一の電極２の半導体素子１の実装部の周囲にたとえばハンダにより接合されており（図示なし）、第三の電極４と第四の電極５は封止樹脂８の側面方向から取り出されている。図１では封止樹脂８の側面の一方向からしか取り出されていないが、各電極の取り出し方はその限りではなく、別方向の側面または上面でもよい。また半導体パワーモジュール１００内部の電気的接続方法について、半導体素子１と第三の電極４、第一の電極２と第四の電極５はハンダにより接合しているが、必要な電流密度の電流を流すことが可能な接続方法であれば、特に限定するものではない。

第二の電極３は、半導体素子１の上面とボンディングワイヤー７により接続されており、第二の電極３とボンディングワイヤー７との接合部７ａは、第一の電極２の実装面上において第二の電極３が対向している面の領域内に存在している。第二の電極３と第一の電極２の間に挟まれている絶縁部材６は、これらの電極間の絶縁を確保しつつ、ボンディング工程におけるボンディング装置からの荷重または超音波等の振動を受け止め、第二の電極３の接合部７ａを支持する支持部材としての機能を持つ。このような構造を設けたことで、第一の電極２の実装面上において第二の電極３を配置でき、半導体パワーモジュール１００の小型化が可能となる。

また、第一の電極２の実装面上で、絶縁部材６とこれに支持される第二の電極３の接合部７ａを半導体素子１の近くに設け、ボンディングワイヤー７の長さを短くすることで、ボンディングワイヤー７の剛性が上がり信頼性が向上し、さらに距離が短くなるためボンディングワイヤー７のインダクタンスを抑えることができ半導体パワーモジュール１００の高周波駆動が可能となる。

さらに絶縁部材６を第一の電極２、および第二の電極３の両電極にたとえば接着剤を用いて接着させることで固定すれば、半導体パワーモジュール１００の製造工程における位置ずれ防止および脱落防止にもなる。

絶縁部材６の材料としては、絶縁性を有するたとえば熱硬化系樹脂などの絶縁樹脂を使用すれば支持部材としての効果を得られる。さらに、熱伝導性の高い絶縁部材６たとえばアルミナ、窒化アルミ、または窒化ケイ素といったセラミック材料を含有している材料を用いれば、半導体パワーモジュール１００の放熱効果を高めることができる。また接着性を有する絶縁シートであれば、接着剤を使用せずに電極同士を固定できるため、製造時間の短縮が可能となる。

また、第二の電極３と絶縁部材６をたとえばＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅＲｅｓｉｎ）などで一体成形することで、第二の電極３の第一の電極２に対する位置および高さの精度を上げることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は実施の形態１の変形例で、図２に実施の形態２における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である。図２に示すようにこの半導体パワーモジュール２００では第一の電極２と第二の電極３との間に挟まれている絶縁部材６を延伸させ、絶縁部材６が第一の電極２と第三の電極４との間に設けられている。

このような形状においても、実施の形態１と同様に支持部材としての効果を得ることができ、さらに実施の形態１と同様に絶縁部材６の材料を熱伝導率の高い絶縁性の材料とすることで、半導体素子１で発生する熱を接続されている第三の電極４、絶縁材料６経由で第一の電極２から放熱することにより半導体素子１の放熱経路を増やすことができ、高い冷却効果を得られる。

絶縁部材６と第一の電極２、第二の電極３、および第三の電極４とは、接触しているだけでもボンディング工程における支持部材として実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、たとえば接着剤によって、絶縁部材６を介して第三の電極４と第一の電極２とを接着することで、接触している状態より熱抵抗が小さくなり、放熱性能向上の効果を得られる。

また、第二の電極３と第三の電極４と絶縁部材６とをたとえばＰＰＳなどで一体成形することで、第二の電極３、第三の電極４の第一の電極２に対する位置および高さの精度を上げることができる。

実施の形態３．
実施の形態３は実施の形態１の変形例で、図３に実施の形態３における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である。図３に示すように、この半導体パワーモジュール３００では絶縁部材６が第一の電極２と第四の電極５との間にも設けられている。

このような形状においても、実施の形態１と同様に支持部材としての効果を得ることができ、さらに絶縁部材６の材料を熱伝導率の高い絶縁性の材料とすることで、第四の電極５の発する熱を、絶縁材料６経由で第一の電極２から放熱する効果を得られる。

絶縁部材６と第一の電極２、および第二の電極３、第四の電極５とは、接触しているだけでもボンディング工程における支持部材として実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、たとえば接着剤によって、絶縁部材６と第四の電極５と第一の電極２とを接着することで、接触している状態よりも熱抵抗が小さくなり、放熱性能向上の効果を得られる。

また、第四の電極５と第二の電極３と絶縁部材６をたとえばＰＰＳなどで一体成形することで、第四の電極５、第二の電極３の第一の電極２に対する位置および高さの精度を上げることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は実施の形態１の変形例で、図４に実施の形態４における半導体パワーモジュールの構造を示す模式図を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）における線ＡＡに沿った断面図である。図４に示すようにこの半導体パワーモジュール４００では第一の電極２と第二の電極３との間に挟まれている絶縁部材６を第一の電極２と第三の電極４との間、および第一の電極２と第四の電極５との間まで延伸している。

このような形状においても、実施の形態１と同様に支持部材としての効果を得ることができ、さらに絶縁部材６の材料を熱伝導率の高い絶縁性の材料とすることで、実施の形態１、実施の形態２、および実施の形態３にて述べた半導体素子１、第一の電極２、第三の電極４、第四の電極５の放熱効果が得られることはいうまでもない。

絶縁部材６と第一の電極２、第二の電極３、第三の電極４、および第四の電極５とは、接触しているだけでもボンディング工程における支持部材としての実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、たとえば接着剤によって接着させることで、電極間の密着性が向上し、第三の電極４と第四の電極５の放熱性向上の効果が得られる。

また、第二の電極３、第三の電極４、および第四の電極５と絶縁部材６とをたとえばＰＰＳなどで一体成形することで、第二の電極３、第三の電極４、および第四の電極５の第一の電極２に対する位置および高さの精度上げることができる。

実施の形態５．
実施の形態５は実施の形態１の変形例で、図５に実施の形態５における半導体パワーモジュールの構造を正面から見た模式図を示す。ただし、説明の都合上、封止樹脂８が透かされた状態で示されている。図５に示すようにこの半導体パワーモジュール５００では第一の電極２の実装面の反対側（下側）に絶縁層９を一面に介して金属板１０が配置されている。絶縁層９は、たとえばエポキシ樹脂に熱伝導性に優れたシリカ、アルミナなどの無機粉末が充填されている絶縁シートを用いることができる。

また、金属板１０の絶縁層９との接合面との反対面は、封止樹脂８より露出しており、絶縁層９が外部からの接触により傷つかない為の保護層としての役目も果たす。この目的を満足するものであれば、材料を特に限定することはなく、銅またはアルミなどの金属板または金属箔の適用も可能である。このように構成することで、放熱効果を維持したまま、半導体モジュール５００の底部の絶縁と保護を図ることができる。このような構成とした場合でも、第二の電極３と第一の電極２の間に挟まれている絶縁部材６は、ボンディング工程におけるボンディング装置からの荷重または超音波等の振動を受けることができ、第三の電極４とボンディングワイヤー７との接合性を良好に保つことが可能となる。

なお、実施の形態５で示された絶縁層９および金属板１０による構造を、これまでの実施の形態１から４に用いることができることは言うまでもない。

実施の形態１から５において、半導体素子１、第一の電極２、第二の電極３、第三の電極４、第四の電極５、および絶縁部材６、の搭載個数は、説明のために限定した例で示したが、これに限定されるものではなく、同じ１つの半導体パワーモジュール１００，２００，３００，４００，５００内に必要に応じて必要な個数を搭載することが可能である。また、絶縁部材６について、必要に応じて電極ごとに分割してもよいし、１つの絶縁部材６に複数の電極を搭載してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１半導体素子、２第一の電極、３第二の電極、４第三の電極、５第四の電極、６絶縁部材、７ボンディングワイヤー、７ａ接合部、８封止樹脂、９絶縁層、１０金属板、１００，２００，３００，４００，５００半導体パワーモジュール

Claims

第一の電極と、
前記第一の電極の上に設けられた半導体素子と、
前記第一の電極の上に設けられた絶縁部材と、
前記絶縁部材を介して設けられ、
前記半導体素子とのワイヤーボンディングの接合部を有する第二の電極と、
前記半導体素子の上に接合された第三の電極と、
前記第一の電極に接続された第四の電極と、
を備え、
前記第二の電極の前記接合部は、前記第二の電極を支える前記絶縁部材の上方に配設され、
前記絶縁部材は、第二の電極を支えると共に、
前記第一の電極と前記第三の電極との間、および前記第一の電極と前記第四の電極との間に設けられ、前記第三の電極および前記第四の電極を支えていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
前記絶縁部材は、前記第一の電極、前記第二の電極、前記第三の電極、および前記第四の電極との間で接着されている請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
前記第一の電極の下側に絶縁層を介して金属板を設けた請求項１または請求項２に記載の半導体パワーモジュール。
前記絶縁部材は絶縁樹脂である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
前記絶縁部材は絶縁シートである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
前記絶縁部材にセラミック材料が含有された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。