JP2015216243A

JP2015216243A - パワーモジュール用ビームリード

Info

Publication number: JP2015216243A
Application number: JP2014098286A
Authority: JP
Inventors: 宏将菅原; Hiromasa Sugawara
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-12-03

Abstract

【課題】ビームリードと半導体素子との間のはんだ層が熱応力による損傷を生じにくいパワーモジュール用ビームリードを提供する。
【解決手段】基板５上に実装された第１の半導体素子１１および第２の半導体素子１３並びに第２の電極パターン９にはんだで接合されるビームリード３である。円筒体１５の端部を径方向の外側に向けて円盤状に広げた拡径部１７，３１を形成し、該拡径部１７，３１を、前記半導体素子１１，１３にはんだで接合されるはんだ接合部に設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュール用ビームリードに関する。特に車両に搭載するパワーモジュールに好適なビームリードに関する。

従来から、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載されるパワーモジュールの開発が進められている。このパワーモジュールでは、半導体素子にはんだを介してビームリードが接合される（例えば、特許文献１等参照）。

この特許文献１に記載されたビームリードにおいては、半導体素子に接合されるはんだ接合部は、平面視が矩形状に形成されているため、四隅に尖った角部が形成されている。

特開２０００−２０９８４６号公報

ここで、ビームリードおよび半導体素子は、はんだ層で結合されている。このため、半導体素子が発熱と冷却とを繰り返すと、特許文献１に開示されたビームリードでは、四隅の角部におけるはんだ層に熱応力が加わってクラック等の損傷が入るおそれがある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ビームリードと半導体素子との間のはんだ層が熱応力による損傷を生じにくいパワーモジュール用ビームリードを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、第１の態様に係るパワーモジュール用ビームリードは、基板上の半導体素子および電極パターンの少なくともいずれかにはんだで接合される。円筒体の端部を径方向の外側に向けて円盤状に広げた拡径部を形成し、該拡径部を、前記半導体素子および電極パターンの少なくともいずれかにはんだで接合されるはんだ接合部に設定したことを特徴とする。

第２の態様では、前記円筒体の長手方向の途中部分を押し潰して平坦部を形成し、該平坦部を、前記電極パターンにはんだで接合されるはんだ接合部に設定したことを特徴とする。

第３の態様では、前記円筒体の長手方向の途中部分を屈曲させて脆弱部を形成したことを特徴とする。

第４の態様では、前記拡径部における内周部および外周部の少なくともいずれかを、前記半導体素子または電極パターンから離れる方向に屈曲させた傾斜部に形成したことを特徴とする。

第５の態様では、前記拡径部における半導体素子または電極パターンとの接合部に凹部を形成したことを特徴とする。

第６の態様では、前記円筒体の端部の内部に熱硬化性樹脂を充填させたことを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。

第１の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、はんだ接合部となる拡径部の外周縁は円形になるため、当該外周縁に角部がなくなる。また、拡径部から立設する立ち上がり部は円筒体になり、この立ち上がり部の下端は拡径部の中央部分に配置される。以上より、半導体素子が発熱と冷却を繰り返すと、円盤状に形成された拡径部に放射状の熱応力が入力される。このため、拡径部の全体に均等に応力が分散して入力される。よって、半導体素子と拡径部との間に配置されるはんだ層に、円筒体の熱歪みに起因する応力が入力されても、当該はんだ層が損傷するおそれが低減される。

第２の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、円筒体の端部だけでなく、途中部分もはんだ接合部に設定することができる。また、円筒体の途中部分を押し潰すという簡単な作業ではんだ接合部を成形することができる。

第３の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、円筒体が熱などで伸縮しても、この伸縮を脆弱部で吸収することができるため、はんだ層へ伝わる応力が低減され、はんだ層の損傷が抑制される。

第４の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、前記傾斜部の部分においては、拡径部の底面が半導体素子から離れる方向に屈曲しているために拡径部の底面と半導体素子との距離が長くなる。このため、当該傾斜部のはんだ層を厚く形成することができる。また、フィレットの形状が良好になり、はんだ層の周縁からの損傷（例えば、クラック等）のおそれが低減する。

第５の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、凹部を形成することによって、はんだボイドの生成を抑制することができ、はんだ層の寿命を延ばすことができる。
第６の態様に係るパワーモジュール用ビームリードでは、熱硬化性樹脂によって、円筒体の端部とはんだ層とを機械的（物理的）に結合することができるため、円筒体の端部の結合強度が向上する。このため、はんだ層にかかる熱応力を緩和することができ、はんだ層の寿命を延ばすことができる。

第１の実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線による断面図である。第２の実施形態に係るビームリードの拡径部近傍を示す断面図である。第３の実施形態に係るビームリードの拡径部近傍を示す斜視図である。図４のＢ−Ｂ線による断面図である。第４の実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。

以下、本発明の一例としての実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面においては、方向を明確にするため、便宜的に、上側をＵＰＲ、前側をＦＲ、後側をＲＲ、右側をＲＨ、左側をＬＨとする。

［第１の実施形態］
図１〜図２を参照して、第１の実施形態に係るパワーモジュール１およびビームリード３について説明する。

図１に示すように、第１の実施形態に係るパワーモジュール１は、絶縁材料で構成される基板５と、該基板５の上に実装される複数（図１では２つ）の第１および第２の電極パターン７，９と、第１の電極パターン７の上にはんだで接合される第１および第２の半導体素子１１，１３と、これらの第１および第２の半導体素子１１，１３と第２の電極パターン９とにはんだで接合されるビームリード３と、を備えている。

前記ビームリード３は、内部が中空に形成された金属製（例えば、アルミニウム製）の円筒体１５（丸パイプ）を加工して成形されたものである。

具体的には、まず、直線状の円筒体１５の両端部を径方向の外側に向けて円盤状に広げて拡径部１７を形成する。この拡径部１７は、円環状（ドーナツ状）の平板に形成されたはんだ接合部である。第１の半導体素子１１の電極１８にはんだで接合された拡径部１７から上側ＵＰＲに向けて立上り部１９が延設される。また、該立上り部１９の上端から後側ＲＲに屈曲して後側ＲＲに延びたのち前側ＦＲに折り返して前側ＦＲに延びる第１の脆弱部２１を形成する。この第１の脆弱部２１から前側ＦＲに向けて直線状に延びる橋渡し部２３が形成される。そして、橋渡し部２３の前端から後側ＲＲに屈曲させて後側ＲＲに延びる第２の脆弱部２５を成形する。第２の脆弱部２５から下方に向けて延び、その下端部は、押し潰されて平坦部２７に形成されている。この平坦部２７は、前記第２の電極パターン９にはんだで接合されるはんだ接合部に設定される。

また、ビームリード３の右側部分の形状について説明する。第２の半導体素子１３にはんだで接合された拡径部３１から上側ＵＰＲに向けて立上り部３３が延設される。また、該立上り部３３の上端から後側ＲＲに屈曲して後側ＲＲに延びたのち前側ＦＲに折り返して前側ＦＲに延びる第３の脆弱部３５を形成する。この第３の脆弱部３５から前側ＦＲに向けて直線状に延びる橋渡し部３７が形成される。そして、橋渡し部３７の前端から後側ＲＲに屈曲させて後側ＲＲに延びる第４の脆弱部３９を形成する。第４の脆弱部３９から下方に向けて延び、その下端部は、前述した平坦部２７に形成されている。

図２は、立上り部１９の途中部で切断して上方から下方を見た平面視である。円盤状に形成された拡径部１７に放射状の熱応力（矢印参照）が入力される。つまり、拡径部１７，３１には全体に亘って均等に熱応力が分散して加えられ、特定の部位に応力集中することが抑制される。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態に係るビームリード３は、基板５上に実装された第１の半導体素子１１および第２の半導体素子１３（半導体素子）並びに第２の電極パターン９（電極パターン）の少なくともいずれかにはんだで接合されるビームリード３である。

円筒体１５の端部を径方向の外側に向けて円盤状に広げた拡径部１７，３１を形成し、該拡径部１７，３１を、前記半導体素子１１，１３にはんだで接合されるはんだ接合部に設定した。

従って、はんだ接合部となる拡径部１７，３１の外周縁は円形になるため、当該外周縁に角部がなくなる。また、拡径部１７，３１から立設する立ち上がり部１９，３３は円筒体になり、この立ち上がり部１９，３３の端縁は拡径部１７，３１の中央部分に配置される。以上より、半導体素子１１，１３が発熱と冷却を繰り返すと、円盤状に形成された拡径部１７に放射状の熱応力（図２の矢印参照）が入力される。このため、拡径部１７，３１の全体に均等に応力が分散して入力される。よって、半導体素子１１，１３と拡径部１７，３１との間に配置されるはんだ層に、円筒体１５の熱歪みに起因する応力が入力されても、当該はんだ層が損傷するおそれが低減される。

（２）前記円筒体１５の長手方向の途中部分を押し潰して平坦部２７を形成し、該平坦部２７を、前記第２の電極パターン９（電極パターン）にはんだで接合されるはんだ接合部に設定した。
従って、円筒体１５の端部だけでなく、途中部分もはんだ接合部に設定することができる。また、円筒体１５の途中部分を押し潰すという簡単な作業ではんだ接合部を成形することができる。

（３）前記円筒体１５の長手方向の途中部分を屈曲させて、第１〜第４の脆弱部２１，２５，３５，３９（脆弱部）を形成した。
従って、円筒体１５が熱などで伸縮しても、この伸縮を脆弱部で吸収することができるため、はんだ層へ伝わる応力が低減され、はんだ層の損傷が抑制される。

［第２の実施形態］
次いで、第２の実施形態について説明する。ただし、前述した第１実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態に係るビームリード１０１では、拡径部１０３における内周部１０５および外周部１０７を、半導体素子１０９から離れる方向に屈曲させた傾斜部に形成している。

具体的には、拡径部１０３における内周部１０５は、径方向の外側に向かうに従って斜め下方になだらかに湾曲して延びる内側傾斜部１１１（傾斜部）に形成されている。この内側傾斜部１１１は、断面が円弧状に形成されている。また、拡径部１０３における外周部１０７は、径方向の外側に向かうに従って斜め上方に延在する外側傾斜部１１３（傾斜部）に形成されている。従って、半導体素子１０９と拡径部１０３とを接合するはんだ層１１５の形状は、フィレット状に形成される。

なお、内周部１０５の底面における内周端と半導体素子１０９の上面との上下方向に沿った距離（高さ）はＨ１である。内周部の底面における外周端（外周部の底面における内周端）と半導体素子の上面との上下方向に沿った距離（高さ）はＨ２である。外周部の底面における外周端と半導体素子の上面との上下方向に沿った距離（高さ）はＨ３である。距離Ｈ１〜Ｈ３は、Ｈ１＞Ｈ３＞Ｈ２に設定されている。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）前記拡径部１０３における内周部１０５および外周部１０７を、半導体素子１０９から離れる方向に屈曲させた内側傾斜部１１１と外側傾斜部１１３（傾斜部）に形成した。

このように、前記傾斜部の部分においては、拡径部１０３の底面が半導体素子１０９から離れる方向に屈曲しているために拡径部１０３の底面と半導体素子１０９との距離が長くなる。このため、当該傾斜部のはんだ層１１５を厚く形成することができる。また、フィレットの形状が良好になり、はんだ層１１５の周縁からの損傷（例えば、クラック等）のおそれが低減する。

［第３の実施形態］
次いで、第３の実施形態について説明する。ただし、前述した第１および第２の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態に係るビームリード２０１では、拡径部２０３における半導体素子２０５との接合部に、円形の挿通孔２０７（凹部）を形成した。この挿通孔２０７は、拡径部２０３の周方向に沿って複数（本実施形態では８個）形成されている。隣接する挿通孔同士２０７，２０７の距離は、等間隔に設定されている。図５に示すように、挿通孔２０７の形状は、ほぼ円錐台形状に形成されている。即ち、拡径部２０３の挿通孔２０７の内周側の側面２０９は、径方向の内側に向けて凸になるように湾曲して形成されている。この挿通孔２０７に充填されたはんだ層２１１もフィレット形状に形成される。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）前記拡径部２０３における半導体素子２０５との接合部に挿通孔２０７（凹部）を形成した。

このように、挿通孔２０７（凹部）を形成することによって、はんだボイドの生成を抑制することができ、はんだ層２１１の寿命を延ばすことができる。

［第４の実施形態］
次いで、第４の実施形態について説明する。ただし、前述した第１〜第３の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態に係るビームリード３０１では、円筒体３０３の端部３１１の内部に熱硬化性樹脂３０５を充填している。
ビームリード３０１における橋渡し部３０７の上面には、樹脂用注入口３０９が形成され、この樹脂用注入口３０９からビームリード３０１の内部に、溶融した熱硬化性樹脂３０５を注入する。前述した円筒体３０３の端部３１１は、図６のビームリード３０１の立上り部３１３に相当する。つまり、ビームリード３０１の立上り部３１３の内部に熱硬化性樹脂３０５を充填している。この熱硬化性樹脂３０５は、半導体素子３１５上のはんだ層３１７とビームリード３０１の立上り部３１３とを強固に結合する。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）前記円筒体３０３の端部３１１となる立上り部３１３の内部に熱硬化性樹脂３０５を充填させた。

この熱硬化性樹脂３０５によって、円筒体３０３の端部３１１とはんだ層３１７とを機械的（物理的）に結合することができるため、円筒体３０３の端部３１１の結合強度が向上する。このため、はんだ層３１７にかかる熱応力を緩和することができ、はんだ層３１７の寿命を延ばすことができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されず、種々の変更および変形が可能である。

例えば、第１実施形態では、拡径部１７，３１を半導体素子１１，１３にはんだで接合したが、電極パターン７，９に接合するようにしてもよい。

そして、第２実施形態では、拡径部１０３における内周部１０５および外周部１０７の双方を傾斜部に形成した。しかし、内周部１０５および外周部１０７の一方のみを傾斜部にしてもよい。

また、第３実施形態では、凹部の一例として挿通孔２０７を説明したが、拡径部２０３の裏面側に形成した溝やくぼみなども凹部として適用可能である。

３ビームリード
５基板
７第１の電極パターン（電極パターン）
９第２の電極パターン（電極パターン）
１１第１の半導体素子（半導体素子）
１３第２の半導体素子（半導体素子）
１５円筒体
１７拡径部（はんだ接合部）
２１第１の脆弱部（脆弱部）
２５第２の脆弱部（脆弱部）
２７平坦部（はんだ接合部）
３１拡径部（はんだ接合部）
３５第３の脆弱部（脆弱部）
３９第４の脆弱部（脆弱部）
１０３拡径部（はんだ接合部）
１０５内周部
１０７外周部
１０９半導体素子
１１１内側傾斜部（傾斜部）
１１３外側傾斜部（傾斜部）
２０３拡径部（はんだ接合部）
２０５半導体素子
２０７挿通孔（凹部）
３０３円筒体
３０５熱硬化性樹脂
３１１端部
３１３立上り部

Claims

基板（５）上の半導体素子（１１，１３）および電極パターン（９）の少なくともいずれかにはんだで接合されるパワーモジュール用ビームリード（３）であって、
円筒体（１５）の端部を径方向の外側に向けて円盤状に広げた拡径部（１７，３１）を形成し、該拡径部を、前記半導体素子および電極パターンの少なくともいずれかにはんだで接合されるはんだ接合部に設定したことを特徴とするパワーモジュール用ビームリード。
前記円筒体（１５）の長手方向の途中部分を押し潰して平坦部（２７）を形成し、該平坦部を、前記電極パターンにはんだで接合されるはんだ接合部に設定したことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用ビームリード。
前記円筒体（１５）の長手方向の途中部分を屈曲させて脆弱部（２１，２５，３５，３９）を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用ビームリード。
前記拡径部（１０３）における内周部（１０５）および外周部（１０７）の少なくともいずれかを、前記半導体素子（１０９）または電極パターンから離れる方向に屈曲させた傾斜部（１１１，１１３）に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ビームリード。
前記拡径部（２０３）における半導体素子（２０５）または電極パターンとの接合部に凹部（２０７）を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ビームリード。
前記円筒体（３０３）の端部（３１１）の内部に熱硬化性樹脂（３０５）を充填させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用ビームリード。