JP4672902B2 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体チップやチップ抵抗器などのチップ部品を一つのモジュール内にはんだ付けして形成した電力用半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に従来の電力用半導体モジュールの断面図を示し，図４によって従来の構造を説明する。表面に銅回路３を形成した電気絶縁層２で金属基板１の片面を覆い，銅回路３のランド５にチップ部品４がはんだ８で固着され，回路基板１１が完成し，この回路基板１１を樹脂ケース２１で囲み，上からエポキシ樹脂等の封止材２２で充填されて完成する電力用半導体モジュールは電力制御等の用途に用いられる。チップ部品４の下部と金属基板上の電気絶縁層とで挟まれた隙間６は熱伝導率が良くない空気で充たされている。チップ部品４で発生した熱が熱伝導で主として放出する経路は，微少断面のはんだ８，ランド５，電気絶縁層２，とその下層の金属基板１へと熱伝導して該金属基板から外部に放出していた。電力用半導体
モジュールに通電する電力が大きくなると内部で発生する熱が増し，チップ部品の接続部のはんだ８の温度が高くなり通電時と停止時との温度差が大きくなってはんだクラックが発生して接続不良となって信頼性低下の原因となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
大電力を通電する電力用半導体モジュールでは，はんだクラックが発生しやすくなり寿命が低下するので，発生した熱の放出が効果的に行われる電力用半導体モジュールの提供が本発明の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
チップ部品から発生する熱を効果的に放出する為に，熱伝導率が悪い空気層の厚みを極小にすることに着眼した。金属基板上に電気絶縁層を介して設けられた銅回路のランドに，チップ部品をはんだ付けし，樹脂ケースで囲まれ，該樹脂ケースの内部に封止材が注入硬化される電力用半導体モジュールにおいて，対向する一対のランド間の中間位置で，銅回路の下層の電気絶縁層と，上記チップ部品とで挟まれる隙間に対して，高熱伝導性電気絶縁部材を圧入させることによってチップ部品表面から直に金属基板に熱伝導する経路を形成して，従来の熱伝導経路に加えて熱放出させるようにした。
【０００５】
請求項２に関しては，高熱伝導性電気絶縁部材はチップ部品及び部品取付基板に対して密着させる為に，弾性を有するゴム状の有機化合物又は，無機物が混錬されたゴム状の有機化合物で形成された部材とした。固体の電気絶縁物である有機化合物は空気より熱伝導率が大きい。シリコンカーバイドのような無機物は熱伝導率が大きくて，これをシリコンゴムで混錬して弾性体の高熱伝導性電気絶縁部材を得て，チップ部品及び部品取付基板に対して密着させるように挟み込むと効果的な熱伝合経路が形成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１およびその要部拡大図である図２によって説明する。金属基板１の上に電気絶縁層２を介して銅回路３が形成され，４のチップ部品がはんだ付けされるランド５が銅回路に設けられている。クリームはんだを該ランドに印刷塗布し，チップ部品の端子が該クリームはんだ上に載置された部分に光ビームを照射することで局部加熱されてはんだが融解し，照射を停止して冷却すると，はんだ８が硬化し，その後，必要部位にボンディングワイヤ７でボンディングすると回路が接続されて回路基板１１が完成する。この回路基板を底部となるように樹脂ケース２１で囲んで固着し，上からエポキシ樹脂などの封止材２２を注入して加熱硬化する。このようにして形成した電力用半導体モジュールは使用電力が大きくなるに従い内部発熱量が多くなるので，この熱を効果的に放熱させる為にチップ部品の銅回路への固着の前に次の工程を行う。チップ部品４が固着される一対のランド５とランド５１との間にゴム状の有機化合物に高熱伝導性の無機物，例えばシリコンカーバイドやベリリヤセラミックスを混錬してシート状にした高熱伝導性電気絶縁部材９（以下、伝熱部材９と称する）を挟み込むようにしてチップ部品を載置しランドのクリームはんだに光ビームを照射して加熱し，はんだ付けが完了する。固着したチップ部品４の下部と回路基板との間の隙間６には弾性を有する伝熱部材９が，はさみ込まれておりチップの温度上昇は，従来の伝熱部材９が無い場合より低い値となり半導体モジュールの寿命，信頼性の向上に寄与した。
【０００８】
他の実施の形態では，図３に示すように，金属基板１の上に固着した電気絶縁層２はベリリヤセラミックスであり，熱伝導率は０．５８を有し，アルミナの熱伝導率０．０７０に対し８倍以上も高い。（熱伝導率の単位は，キロカロリー／平方センチ・秒・℃）このような電気絶縁物に接してチップ部品を搭載することに着目したもので，金属基板１の上にベリリヤセラミックスの電気絶縁層２を介して銅回路３が形成され，該銅回路の厚みに相当する高さの部品載置台１０が電気絶縁層２に形成されている。チップ部品４がこの部品載置台に載せられてランド５にはんだ付けされる。クリームはんだを該ランドに印刷塗布し，チップ部品の端子が該クリームはんだ上に載置された基板全体を加熱してもよく，絶縁物が無機物のみであり，高い温度に耐えるので，光ビームを照射することで局部加熱しなくてもよい。その後，必要部位にボンディングワイヤ７でボンディングすると回路が接続されて回路基板１１が完成する。この回路基板１１を底部となるように樹脂ケース２１で囲んで固着し，上からエポキシ樹脂などの封止材２２を注入して加熱硬化する
【０００９】
図３に示した実施例で寸法精度をゆるめてコストを下げる為には，チップ部品４が直に接している部品載置台１１の上に隙間が出来るので，隙間にシリコンオイルのような毛細管現象で吸い上げて保持されるような耐熱性の液体を充顛させることも有効である。
【００１０】
【発明の効果】
従来，チップ部品と回路基板の隙間に空気が断熱していた部分に対して，熱伝導性を向上させたので，従来と同一の電力容量でのモジュールの回路基板サイズを小さくすることが出来たのでコストが削減出来て，省資源にも寄与した。チップ部品の温度を低く抑える事ができたので半導体モジュール全体の寿命，信頼性の向上に寄与している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施形態を示す要部拡大図である。
【図３】 本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図４】 従来の回路装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 金属基板
２ 電気絶縁層
３ 銅回路
４ チップ部品
５ ランド
６ 隙間
７ ボンディングワイヤ
８ はんだ
９ 高熱伝導性電気絶縁部材（伝熱部材）
１０ 部品載置台
１１ 回路基板
２１ 樹脂ケース
２２ 封止材
５１ ランド

Claims (2)

  1. 金属基板上に電気絶縁層を介して設けられた銅回路のランドに，チップ部品をはんだ付けし，樹脂ケースで囲まれ，該樹脂ケースの内部に封止材が注入硬化される電力用半導体モジュールにおいて，対向する一対のランド間の中間位置で，銅回路の下層の電気絶縁層と，上記チップ部品とで挟まれる隙間に対して，高熱伝導性電気絶縁部材を圧入させたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 高熱伝導性電気絶縁部材が弾性を有するゴム状の有機化合物又は，無機物が混錬されたゴム状の有機化合物で形成された部材である請求項１記載の電力用半導体モジュール。
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