JPH10340975A - Power semiconductor module - Google Patents

Power semiconductor module

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JPH10340975A
JPH10340975A JP15064397A JP15064397A JPH10340975A JP H10340975 A JPH10340975 A JP H10340975A JP 15064397 A JP15064397 A JP 15064397A JP 15064397 A JP15064397 A JP 15064397A JP H10340975 A JPH10340975 A JP H10340975A
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base
case
adhesive
warpage
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義彦 小池
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英雄 清水
Tadao Kushima
忠雄 九嶋
Akira Tanaka
明 田中
Koichi Inoue
廣一 井上
Ryuichi Saito
隆一 斉藤
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    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To specify the direction and the size of warps on the rear surface of a base upon completion of a module by varying the height of a protrusion provided on the base side or the case side depending on the position of the module. SOLUTION: A protrusion is provided on a case 106 and an adhesive 108 is made thick on the peripheral part by setting the height Ls1 of a protrusion on the peripheral of a module higher that the height Ls2 in the center thereof. The distance to the bonding face of a case 106 except the protrusion is different within the module with reference to the rear surface of the base 101 and it is longer on the peripheral part than in the center. Final rear surface shape of the module can be controlled by determining the warpage previously based on the material of the base 101 and the case 16 and the module size and adjusting the height of the protrusion depending on the deformation. Consequently, the module can be manufactured depending on the shape of heat dissipation fins for mounting the module and the mounting method thereof.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体モジュ
ールに係り、特に、高信頼性を達成できるモジュールの
構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor module, and more particularly to a module structure that can achieve high reliability.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来からIGBT,ダイオード,GT
O,トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
密封して構成したパワー半導体モジュールが知られてい
る。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて各種イ
ンバータ装置などに応用されている。中でもIGBTは
電圧制御型の素子であるので制御が容易であり、大電流
の高周波動作が可能であるなどの利点を有している素子
である。また、モジュール使用上の簡便性の点から、多
くの場合はモジュールの金属製のベース部分と電流通電
部分が電気的に絶縁された内部絶縁型の構造となってい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, IGBT, diode, GT
2. Description of the Related Art A power semiconductor module in which power semiconductor elements such as O and transistors are hermetically sealed in an insulating container is known. These elements are applied to various inverter devices and the like according to their withstand voltage and current capacity. Among them, the IGBT is an element having a voltage control type element and thus has advantages such as easy control and high-frequency operation of a large current. In many cases, the module has an internal insulation structure in which a metal base portion and a current-carrying portion are electrically insulated from the viewpoint of ease of use of the module.

【0003】このようなモジュールにおいては、ベース
とモジュール側面及び上面を形成する有機樹脂製ケース
を接着剤によって一体にしてモジュールを構成するた
め、ベースとケースの熱膨張係数(以下αと略す)差に
よってモジュール裏面が反る。多くの場合、ベースに比
べ有機樹脂のαが大きいためベースとケース接着後は熱
変動により高温の場合はケースが膨張して裏面が凹方向
に、低温の場合はケースが収縮して裏面が凸方向に変形
する。接着剤に熱硬化型の樹脂を使用した場合、高温で
ベースとケースが一体化され、接着剤硬化後の冷却時に
ケースが収縮して裏面が凸に変形する。次にモジュール
内部の絶縁性確保とワイヤボンディング配線保護のため
にゲルを注入、更にモジュール内部の気密性確保のため
にゲル上に熱硬化型のエポキシ樹脂を充填した場合、そ
の樹脂の冷却時の収縮によりモジュールの裏面が凹に変
形する。モジュール裏面の反り量はモジュールが大型化
すると大きくなる。つまり、モジュールの反り量は使用
する材料,モジュールの大きさにより決まる。
[0003] In such a module, since the base and the organic resin case forming the side and top surfaces of the module are integrally formed with an adhesive to constitute the module, a difference in the coefficient of thermal expansion (hereinafter abbreviated as α) between the base and the case is obtained. The back of the module is warped. In many cases, the α of the organic resin is larger than that of the base, so that the case expands due to thermal fluctuations after bonding the base and the case when the temperature is high and the back surface is concave, and when the temperature is low the case shrinks and the back surface is convex. Deform in the direction. When a thermosetting resin is used for the adhesive, the base and the case are integrated at a high temperature, and the case shrinks and the rear surface becomes convex when cooled after the adhesive is cured. Next, gel is injected to secure the insulation inside the module and protect the wire bonding wiring, and when the thermosetting epoxy resin is filled on the gel to secure the airtightness inside the module, when the resin is cooled, The contraction causes the back surface of the module to be concavely deformed. The amount of warpage on the back of the module increases as the size of the module increases. That is, the amount of warpage of the module is determined by the material used and the size of the module.

【0004】従来この反り量を低減させるため、実公平
2−36281号公報の図1に示すようにケースの側面に梁を
設けることでケースに剛性を持たせて変形量を小さくす
る方法,ベースにあらかじめモジュール完成後に反る反
対の方向に反りを付けておき、モジュール完成後の反り
量を低減させる方法,ベースの厚さを充分に厚くして剛
性を持たせることで反り量を低減させる方法があった。
また、モジュールの反り量が大きくなった時のベースと
ケースの剥離を防止するため、両材料をボルトで機械的
に固定して接着強度を確保する方法があった。
Conventionally, in order to reduce the amount of warpage, the
As shown in Fig. 1 of 2-36281, a method in which beams are provided on the side surface of the case to make the case rigid and reduce the amount of deformation, and the base is previously warped in the opposite direction after the module is completed. In addition, there are a method of reducing the amount of warpage after completion of the module, and a method of reducing the amount of warpage by increasing the thickness of the base sufficiently to provide rigidity.
In order to prevent peeling of the base and the case when the amount of warpage of the module becomes large, there has been a method of mechanically fixing both materials with bolts to secure adhesive strength.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ケース外周の一部に梁
を設ける構造では梁の領域だけモジュールが大きくな
る。また、モジュールが大型化した場合、寸法に合わせ
て梁の大きさ(強度)を大きくする必要があるのでより
モジュールが大型化してしまう問題がある。ベースにあ
らかじめ反りを付ける方法では、ベースに充分な剛性が
ないと、ベースにケースを接着する時、接着剤の厚さを
均一にするためにプレスする時や、ベースとケースをボ
ルトで機械的に固定する時に、ケースが平坦でないとベ
ースが変形してしまう。ベースを充分厚くして剛性を持
たせる方法では、ベースの反り量は抑えることが出来る
が、ベースが厚くなった分モジュールの熱抵抗が大きく
なる。
In a structure in which a beam is provided on a part of the outer periphery of the case, the module becomes large only in the region of the beam. In addition, when the size of the module is increased, it is necessary to increase the size (strength) of the beam in accordance with the size, so that there is a problem that the size of the module is increased. In the method of warping the base in advance, if the base does not have sufficient rigidity, when bonding the case to the base, when pressing to make the thickness of the adhesive uniform, or mechanically bolt the base and case with bolts When fixing to the case, the base will be deformed if the case is not flat. In a method in which the base is made sufficiently thick to have rigidity, the amount of warpage of the base can be suppressed, but the thermal resistance of the module increases as the base becomes thicker.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】先に述べたようにモジュ
ール完成後の反り量はベースとケースのα差,モジュー
ルの大きさにより決まる。つまり、ベースとケースを接
着する前に反り量をコントロールすることが出来ればモ
ジュール完成後の反り量を制御することが可能になる。
モジュール完成前に反り量をコントロールすることは、
ベースとケースを接着する前の工程で可能になる。
As described above, the amount of warpage after completion of the module is determined by the α difference between the base and the case and the size of the module. That is, if the amount of warpage can be controlled before the base and the case are bonded, the amount of warpage after completion of the module can be controlled.
Controlling the amount of warpage before completing the module
This is possible in a process before bonding the base and the case.

【0007】その具体的手段は、モジュール底面のベー
スとモジュール側面のケースを接着剤により接着する面
において、ベースあるいはケース側に突起を設ける。こ
の突起の高さをモジュールの場所によって変える。これ
により接着剤硬化前のベース裏面の反り量を突起の高
さ、つまり接着剤厚さによりコントロールし、モジュー
ル完成後の反り量を制御することが出来る。ベース、あ
るいはケースに突起を設けられない場合は、場所によっ
て厚さの異なるスペーサを挿入する方法でも反り量をコ
ントロール可能となる。つまり、ベース裏面を基準面と
してケースの接着面までの距離をモジュール内で変える
ことにより反り量をコントロールすることが出来る。
As a concrete means, a projection is provided on the base or the case side on the surface of the base on the module bottom surface and the case on the side surface of the module to be bonded with an adhesive. The height of the protrusion varies depending on the location of the module. Thus, the amount of warpage of the back surface of the base before the adhesive is cured can be controlled by the height of the protrusion, that is, the thickness of the adhesive, and the amount of warpage after the completion of the module can be controlled. If the base or the case cannot be provided with protrusions, the amount of warpage can be controlled by a method of inserting a spacer having a different thickness depending on the location. That is, the amount of warpage can be controlled by changing the distance from the back surface of the base to the bonding surface of the case in the module with the reference surface as the reference surface.

【0008】別の手段として、ケースを形成する時、ベ
ースとの接着面に反りを付けておく。この手段でも反り
量をコントロール可能となる。つまり、モジュール内部
で接着剤厚さは同じだがケース上面を基準面としてケー
スとベースとの接着面までの距離をモジュール内で変え
ることにより反り量をコントロールすることが出来る。
As another means, when forming the case, a surface to be bonded to the base is warped. With this means, the amount of warpage can be controlled. That is, the amount of warpage can be controlled by changing the distance between the bonding surface of the case and the base in the module with the same adhesive thickness inside the module but using the upper surface of the case as the reference surface.

【0009】本発明の前記手段により以下の作用が得ら
れる。
The following effects are obtained by the above means of the present invention.

【0010】モジュール底面を構成するベースが初期に
平坦な場合でも、半導体素子を絶縁板を介して接合する
ことで各材料のα差により反りが生じる。しかし、半導
体素子接合後のベースをケースに固定すると、通常パワ
ー半導体モジュールで使用する3〜5t程度の金属板で
は機械的にケースの接着面形状に応じて変形させること
ができる。この現象を利用し、ベースとケースが固定さ
れ、ベースとケースのα差、モジュールの大きさにより
決まる反り量を、あらかじめ接着剤塗布後、硬化前の状
態でモジュール完成後の反り量を制御することが出来
る。
[0010] Even when the base constituting the module bottom surface is initially flat, warping occurs due to the α difference between the materials when the semiconductor elements are joined via an insulating plate. However, when the base after bonding the semiconductor elements is fixed to the case, a metal plate of about 3 to 5 ton usually used in a power semiconductor module can be mechanically deformed according to the shape of the bonding surface of the case. Using this phenomenon, the base and the case are fixed, the amount of warpage determined by the α difference between the base and the case, and the size of the module is controlled beforehand after applying the adhesive and before curing, after the module is completed. I can do it.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1は本発明を適用したモジュールの断面
構造を示す。金属あるいは複合材のベース101上に半
導体素子102を絶縁基板104を介して半田103で
接合する。半田接合完了品105に有機樹脂製のケース
106を接着剤108により接着する。接着剤108の
厚さは、ベース101とケース106の接着面の一部に
設けた突起107によって管理する。この突起の高さを
モジュール内の場所によって変え、接着剤108の厚さ
を変える。本実施例ではケース106に突起を設け、モ
ジュール中央の突起高さLs2に比べ周辺部分の突起高
さLs1を高くする(Ls1>Ls2)ことで周辺部の
接着剤108を厚くする。この時、ベース101裏面を
基準にして突起部を除くケース106の接着面までの距
離が、モジュール内部で異なり、中央に比べ周辺部で長
くなる。構造でモジュール完成後の裏面の反りを制御す
ることができる。なお、突起は周辺部分のみに設けても
よい。
FIG. 1 shows a sectional structure of a module to which the present invention is applied. A semiconductor element 102 is joined to a metal or composite base 101 with a solder 103 via an insulating substrate 104. An organic resin case 106 is adhered to the solder joint completed product 105 with an adhesive 108. The thickness of the adhesive 108 is controlled by a protrusion 107 provided on a part of the bonding surface between the base 101 and the case 106. The height of the protrusion changes depending on the position in the module, and the thickness of the adhesive 108 changes. In this embodiment, a protrusion is provided on the case 106, and the height of the protrusion Ls1 at the peripheral portion is made higher than the protrusion height Ls2 at the center of the module (Ls1> Ls2), thereby increasing the thickness of the adhesive 108 at the peripheral portion. At this time, the distance from the back surface of the base 101 to the bonding surface of the case 106 excluding the protrusions differs inside the module, and is longer at the peripheral portion than at the center. With the structure, warpage of the back surface after completion of the module can be controlled. The protrusion may be provided only on the peripheral portion.

【0013】図2は図1とは別の手段でモジュール完成
後の裏面の反りを制御する実施例を示す。図1との相違
点は接着剤108の厚さはモジュール内で均一にするが
ケース上面からベース101を接着する面までの長さが
モジュール内部で異なる。本実施例ではモジュール中央
部分の長さLc2に比べ周辺部分の長さLc1を長くす
る(Lc1>Lc2)。この構造はケース110のベー
ス101との接着面にあらかじめ反りを設けておくこと
により生じる。本構造でモジュール完成後のベース裏面
の反りを制御することができる。
FIG. 2 shows an embodiment in which the warpage of the back surface after completion of the module is controlled by means different from that of FIG. The difference from FIG. 1 is that the thickness of the adhesive 108 is made uniform within the module, but the length from the upper surface of the case to the surface to which the base 101 is bonded is different inside the module. In this embodiment, the length Lc1 of the peripheral portion is longer than the length Lc2 of the central portion of the module (Lc1> Lc2). This structure is generated by providing a warp in advance on the bonding surface of the case 110 to the base 101. With this structure, it is possible to control the warpage of the back surface of the base after completion of the module.

【0014】図3は、図1及び図2のモジュ−ルの製造
工程ごとのベースの反りの状態を従来方法と比較して模
式的に示す。(a)ほぼ平坦なベース101を準備す
る。
FIG. 3 schematically shows the warping state of the base in each of the manufacturing steps of the module shown in FIGS. 1 and 2 in comparison with the conventional method. (A) A substantially flat base 101 is prepared.

【0015】(b)半導体素子102を絶縁基板104
を介してベース101にそれぞれ半田103で接合す
る。この時、例えば一般的に使われる材料構成としてベ
ースにCu(α=17ppm/℃)、絶縁基板にCu張りA
lN基板(α=3.7ppm/℃)を使用し、例えば40P
b−Sn半田(融点:183℃)により接合した場合、
高温で接合した各材料が室温まで冷却される過程でα差
によりベース裏面に凹の状態の反りが生じる。本発明に
よるモジュールではこの先の工程が従来と異なる。
(B) Connecting the semiconductor element 102 to the insulating substrate 104
Are joined to the base 101 with solder 103 respectively. At this time, for example, as a generally used material configuration, Cu (α = 17 ppm / ° C.) is used for the base and Cu
Using 1N substrate (α = 3.7 ppm / ° C), for example, 40P
When joined by b-Sn solder (melting point: 183 ° C),
In the process of cooling the materials joined at a high temperature to room temperature, a concave warp occurs on the back surface of the base due to the α difference. In the module according to the present invention, the subsequent steps are different from the conventional steps.

【0016】〈本発明−1〉(図1の構造)では(c−
1)ベース101と有機樹脂で構成するケース106と
を熱硬化型の接着剤108を塗布して固定する。この時
ベース101の厚さが5mm程度、面積サイズが40cm2
以上と薄くと大きい場合は、ベース101及びケース1
06と接着剤とを密着させるために、治具等でプレスし
たり、あるいはベース101とケース106とをボルト
で機械的に固定する。図1の構造ではベース101とケ
ース106の接着面のケース106側に突起108を設
けている。そのため、モジュール中央部と周辺部の突起
の高さの違いに応じてベース裏面の反りがいく分矯正さ
れる。さらに、接着剤108の厚さは中央部に比べ周辺
部が厚くなるので、ベース101の形状は裏面が凹の状
態で接着剤108の硬化を始める。(d−1)接着剤10
8が熱硬化型の樹脂の場合、硬化中の接着剤剥離を防止
するため治具によりプレスしたまま、あるいはボルトで
機械的に固定したままで硬化する。高温で接着剤108
が硬化してベース101とケース106が一体になった
後室温まで冷却する過程でケースのα(PPS樹脂の場
合:α=35ppm/℃)とベース101のα(実際には半
田接合完了品105としてのαであるが、体積比が最も大
きいベースのαと同じ)の差によりモジュール裏面が平
坦になる。この時、接着剤108の厚さは中央部に比べ
周辺部が厚い状態が保持される。つまりベース101の
裏面を基準にして突起部を除くケース106の接着面ま
での距離がモジュール中央に比べ周辺部で長くなる。
(e−1)モジュール内部の絶縁性確保とワイヤボンデ
ィング配線保護のためにゲル109を注入する。ゲルの
αは大きいがモジュール上部が中空構造なのでベースの
変形はほとんどなくモジュール完成後は裏面がほぼ平坦
な状態になる。
<Invention-1> (structure of FIG. 1)
1) The base 101 and the case 106 made of an organic resin are fixed by applying a thermosetting adhesive 108. At this time, the thickness of the base 101 is about 5 mm, and the area size is 40 cm 2.
When the thickness is as thin as above, the base 101 and the case 1
In order to bring the adhesive 06 into close contact with the adhesive, the jig is pressed with a jig or the like, or the base 101 and the case 106 are mechanically fixed with bolts. In the structure of FIG. 1, a projection 108 is provided on the case 106 side of the bonding surface between the base 101 and the case 106. Therefore, the warpage of the back surface of the base is corrected to some extent in accordance with the difference in the height of the projection between the central portion and the peripheral portion of the module. Furthermore, since the thickness of the adhesive 108 is thicker at the peripheral portion than at the central portion, the shape of the base 101 starts to cure the adhesive 108 in a state where the back surface is concave. (d-1) Adhesive 10
When the thermosetting resin 8 is used, the resin is cured while being pressed by a jig or mechanically fixed with bolts to prevent peeling of the adhesive during curing. Adhesive 108 at high temperature
Is hardened and the base 101 and the case 106 are integrated, and then cooled to room temperature and then cooled to room temperature (α in the case of PPS resin: α = 35 ppm / ° C.) and α of the base 101 (actually, the soldered product 105 Is the same as α of the base having the largest volume ratio), so that the back surface of the module becomes flat. At this time, the state where the thickness of the adhesive 108 is larger at the peripheral portion than at the central portion is maintained. In other words, the distance from the back surface of the base 101 to the bonding surface of the case 106 excluding the protrusions is longer at the peripheral portion than at the center of the module.
(E-1) Inject the gel 109 to secure the insulation inside the module and protect the wire bonding wiring. Although the α of the gel is large, the base is hardly deformed because the upper part of the module has a hollow structure, and after the module is completed, the back surface is almost flat.

【0017】〈本発明−2〉(図2の構造)では(c−
2)ベース101と有機樹脂で構成するケース110と
を熱硬化型の接着剤108を塗布して固定する。本発明
−2ではケース110の接着面を凹にしておく。つま
り、ケース上面からベース接着面までの高さがモジュー
ル内の場所により異なる構造となる。ベース101と接
着面が凹形状のケース110を接着する時、ケース11
0の凹状の形状に応じてベース101の裏面の反りはい
く分矯正されるが、ベース裏面は凹状のままで接着剤1
08が硬化を始める。(d−2)高温で接着剤108が
硬化してベース101とケース110が一体になった後
室温まで冷却する過程でケース110とベース101の
α差によりモジュール裏面が平坦になる。この時、接着
剤108の厚さはモジュール内部で均一な状態が保持さ
れる。(e−2)〈本発明−1〉と同様にモジュール内
部の絶縁性確保とワイヤボンディング配線保護のために
ゲル109を注入する。
<Invention-2> (structure of FIG. 2)
2) The base 101 and the case 110 made of an organic resin are fixed by applying a thermosetting adhesive 108. In the present invention-2, the bonding surface of the case 110 is concave. That is, a structure in which the height from the upper surface of the case to the base bonding surface varies depending on the location in the module. When bonding the base 101 and the case 110 having a concave bonding surface, the case 11
Although the warp of the back surface of the base 101 is somewhat corrected according to the concave shape of the adhesive 101, the adhesive 1
08 begins to cure. (D-2) After the adhesive 108 is cured at a high temperature and the base 101 and the case 110 are integrated, and then cooled to room temperature, the module back surface becomes flat due to the α difference between the case 110 and the base 101. At this time, the thickness of the adhesive 108 is kept uniform inside the module. (E-2) As in <Invention-1>, a gel 109 is injected to ensure insulation inside the module and protect wire bonding wiring.

【0018】一方、従来方法では(c−3)ベース10
1と有機樹脂で構成されかつ接着面が平坦なケース10
6とを熱硬化型の接着剤108で固定する。(d−3)
高温で接着剤108が硬化してベース101とケース1
06が一体になった後室温まで冷却する過程でケース1
06とベース101のα差でモジュール裏面が凸に反
る。この時、接着剤108の厚さはモジュール内部で均
一な状態が保持される。(e−3)本発明によるモジュ
ールと同様に、モジュール内部にαの大きなゲル109
を注入するが、モジュール上部が中空構造なのでベース
101の変形はほとんどなく裏面は凸の状態を保持す
る。(f−4)モジュール内部を密封するためゲル上部
に熱硬化型エポキシ樹脂301を注入して硬化する。エ
ポキシ樹脂301の量によって完成後のモジュール裏面
の形状は更に変化する。例えばエポキシ樹脂301量が
多い場合は、高温で硬化して室温に冷却する過程でエポ
キシ樹脂301の収縮で裏面の形状は凹に変化する。
On the other hand, in the conventional method, the (c-3) base 10
1 and a case 10 composed of an organic resin and having a flat adhesive surface
6 is fixed with a thermosetting adhesive 108. (D-3)
The adhesive 108 is cured at a high temperature, and the base 101 and the case 1
In the process of cooling to room temperature after the
06 and the base 101 warp convexly on the back surface of the module. At this time, the thickness of the adhesive 108 is kept uniform inside the module. (E-3) Similar to the module according to the present invention, a gel 109 having a large α inside the module.
However, since the upper part of the module has a hollow structure, the base 101 is hardly deformed, and the back surface maintains a convex state. (F-4) A thermosetting epoxy resin 301 is injected into the upper part of the gel to cure the inside of the module and is cured. The shape of the module back surface after completion further changes depending on the amount of the epoxy resin 301. For example, when the amount of the epoxy resin 301 is large, the shape of the back surface changes to a concave shape due to the contraction of the epoxy resin 301 in the process of curing at a high temperature and cooling to room temperature.

【0019】図1の実施例では、ベース101やケース
106の材質,モジュールサイズによってあらかじめ反
り量を確認し、変形量に合わせて突起高さを調整すれば
最終のモジュール裏面形状を制御することが可能とな
る。突起を付けたモジュールの実施例ではゲル109上
にエポキシ樹脂301を注入しない場合を記載したが、
エポキシ樹脂301を注入する場合でも注入前後の反り
量を確認し(c−1)の工程で突起107高さを更に調
整ておくことで最終のモジュール裏面を平坦にすること
が出来る。
In the embodiment shown in FIG. 1, the amount of warpage is checked in advance according to the material of the base 101 and the case 106 and the module size, and the final module back shape can be controlled by adjusting the height of the projections according to the amount of deformation. It becomes possible. In the embodiment of the module with the protrusion, the case where the epoxy resin 301 is not injected on the gel 109 is described.
Even when the epoxy resin 301 is injected, the final module back surface can be made flat by checking the amount of warpage before and after the injection and further adjusting the height of the protrusion 107 in the step (c-1).

【0020】図4に、ケース106の突起107の高さ
の差(図1におけるLs1−Ls2)とモジュール裏面の
反り量の関係を確認した結果を示す。突起107がない
従来方法ではモジュール完成後50〜100μm裏面が
凸の反りとなっている。しかし、ケース106の突起1
07の高さの差を大きくすることでほぼ直線的に反り量
が低減でき、約310μmの突起高さの差とすることで
平均の反り量がほぼ0になり、材料やプロセスのばらつ
きを考慮してもモジュール裏面が反らないようにするこ
とが出来る。なお、モジュールの周辺部のみ突起を設け
る場合は、図4の横軸はその突起の高さとなる。
FIG. 4 shows the result of confirming the relationship between the difference between the heights of the protrusions 107 of the case 106 (Ls1−Ls2 in FIG. 1) and the amount of warpage of the module back surface. In the conventional method without the projection 107, the back surface of the module has a convexity of 50 to 100 μm after completion of the module. However, the protrusion 1 of the case 106
By increasing the difference in height of 07, the amount of warpage can be reduced almost linearly, and by setting the difference in protrusion height to about 310 μm, the average amount of warpage becomes almost zero, and variations in materials and processes are taken into consideration. Even so, the back surface of the module can be prevented from warping. When a protrusion is provided only in the peripheral portion of the module, the horizontal axis in FIG. 4 indicates the height of the protrusion.

【0021】図5にモジュールを平坦な放熱フィンに実
装する場合の実施例を示す。モジュールを実装する場合
は、モジュールと放熱フィンの間にグリース等を塗布し
て冷却効率を低減させないよう配慮する必要がある。グ
リースの熱伝導はベースに一般的に使用されるCuに比
べ約1桁小さい(Cu:40W/m・K,グリース:1
W/m・K)ので、冷却効率を上げるためにはグリース
を極力薄く塗る必要がある。(a)は裏面が凸のモジュ
ール501をボルト502により平坦な放熱フィン50
3に実装した場合を示す。モジュール周辺の取付け穴
で、方締めにならないように考慮して実装することでモ
ジュール501の裏面は平坦に変化し、グリース504
はモジュール面内でほぼ均一になる。この時余分なグリ
ースは押出され安定して小さな接触熱抵抗を保持するこ
とが出来る。(b)は裏面が凹のモジュール505をボ
ルト502によって平坦な放熱フィン503に実装した
場合を示す。モジュール周辺の取付け穴では中央のグリ
ース厚さを管理することができず、接触熱抵抗を低減す
ることが難しい。接触熱抵抗が大きくなると実装後に駆
動させる時の損失が制限される。さらに、モジュール内
でグリース厚さがばらつくので、モジュール内部で並列
動作させている半導体素子間で温度差が生じる。これに
より耐量の低下,寿命の低下を生じる可能性がある。
FIG. 5 shows an embodiment in which the module is mounted on a flat radiating fin. When mounting the module, it is necessary to take care not to reduce the cooling efficiency by applying grease or the like between the module and the radiation fins. The thermal conductivity of grease is about one order of magnitude smaller than that of Cu generally used for the base (Cu: 40 W / m · K, grease: 1)
W / m · K), it is necessary to apply grease as thinly as possible to increase the cooling efficiency. (A) is a module 501 having a convex back surface and a flat heat radiation fin 50 with bolts 502.
No. 3 shows the case of mounting. By mounting in the mounting hole around the module so as not to be tightened, the back surface of the module 501 changes flat and the grease 504
Becomes substantially uniform in the module plane. At this time, the excess grease is extruded and can stably maintain a small contact heat resistance. (B) shows a case where a module 505 having a concave back surface is mounted on a flat heat radiation fin 503 by a bolt 502. In the mounting holes around the module, the thickness of the central grease cannot be controlled, and it is difficult to reduce the contact thermal resistance. When the contact thermal resistance increases, the loss when driving after mounting is limited. Further, since the grease thickness varies in the module, a temperature difference occurs between the semiconductor elements operating in parallel in the module. As a result, there is a possibility that the durability and the life will be reduced.

【0022】このことから周辺に取付け穴があるモジュ
ールを平坦な放熱フィンに実装する場合は、モジュール
裏面の反り量が凹より凸の方が望ましい。本発明によれ
ばモジュールの裏面形状を任意に制御することが出来、
例えば図4で示した実施例では突起高さを200μmと
することでモジュール裏面を0〜50μm凸の形状にす
ることができる。
For this reason, when mounting a module having a mounting hole in the periphery on a flat radiating fin, it is desirable that the amount of warpage on the back surface of the module is more convex than concave. According to the present invention, the shape of the back surface of the module can be arbitrarily controlled,
For example, in the embodiment shown in FIG. 4, by setting the protrusion height to 200 μm, the back surface of the module can be formed to have a convex shape of 0 to 50 μm.

【0023】図6〜図11に接着剤108の厚さを変え
ることでモジュール完成後の反り量を制御する実施例を
示す。
FIGS. 6 to 11 show embodiments in which the amount of warpage after completion of the module is controlled by changing the thickness of the adhesive 108. FIG.

【0024】図6はモジュールの一辺に3箇所の取付け
穴がある場合の実施例を示す。モジュール取付け穴60
3は、実装後のボルトの緩みを防止するためボルトとベ
ース101間をメタルコンタクトさせる必要がある。そ
のため樹脂の中に金属製のケースリング601を挿入し
同時形成したケース602を作製する方法が一般的に用
いられる。本実施例では、ケースリング601のセット
位置をモジュール周辺G部と中央H部で変えることによ
って接着剤108の厚さを調整する。その様子をG,H
部各々の拡大図にて示す。ケースリング部では接着剤1
08の最小厚さを確保するためケース106の一部に突
起を設ける。更に、ボルトとベース101をメタルコン
タクトさせるためにケースリング601を突出させる。
このケースリングの突出高さLg1,Lg2を変える。
次に接着剤108硬化時に各々のケースリング601部
分をプレスすることでモジュール完成後の接着材厚さL
s1,Ls2を場所により変えることができる。つま
り、モジュール裏面からケース106接着面の高さをモ
ジュール内部の場所によって変えることでケース接着前
のベース101裏面の反り量を変えることができる。実
施例として記載していないが接着剤最小厚さを決める突
起高さを場所によって変える方法や、ケースリング60
1の長さを場所によって変える方法でも同じ効果が得ら
れる。
FIG. 6 shows an embodiment in which three mounting holes are provided on one side of the module. Module mounting hole 60
No. 3 requires metal contact between the bolt and the base 101 to prevent the bolt from being loosened after mounting. Therefore, a method of manufacturing a case 602 in which a metal case ring 601 is inserted into a resin and formed simultaneously is generally used. In this embodiment, the thickness of the adhesive 108 is adjusted by changing the setting position of the case ring 601 between the peripheral portion G and the central portion H of the module. G, H
Each part is shown in an enlarged view. Adhesive 1 in case ring
A projection is provided on a part of the case 106 to secure a minimum thickness of 08. Further, the case ring 601 is protruded to make metal contact between the bolt and the base 101.
The protruding heights Lg1 and Lg2 of the case ring are changed.
Next, when the adhesive 108 is cured, each case ring 601 is pressed to obtain an adhesive thickness L after completion of the module.
s1 and Ls2 can be changed depending on the location. That is, by changing the height of the bonding surface of the case 106 from the back surface of the module according to the location inside the module, the amount of warpage of the back surface of the base 101 before bonding the case can be changed. Although not described as an example, a method of changing the height of the protrusion that determines the minimum thickness of the adhesive depending on the location, the case ring 60, and the like.
The same effect can be obtained by changing the length of 1 depending on the location.

【0025】図7には比較のために従来方法を示す。従
来は、モジュール全面で接着剤厚さを均一にするため各
場所でLg2を一定にしていた。接着剤硬化時に各々の
ケースリング部分をプレスすることで接着剤厚さを一定
とすると同時に硬化前のベース裏面を平坦にしていた。
そのため、接着剤硬化後モジュール裏面の形状にベース
101とケース106のα差により凹凸が発生してい
た。
FIG. 7 shows a conventional method for comparison. Conventionally, Lg2 was kept constant at each location in order to make the adhesive thickness uniform over the entire surface of the module. The thickness of the adhesive was kept constant by pressing each case ring portion when the adhesive was cured, and the back surface of the base before curing was flattened.
Therefore, after the adhesive was cured, irregularities were generated in the shape of the back surface of the module due to the α difference between the base 101 and the case 106.

【0026】図8は各々の場所のケースリング部の構造
は同じにして金属スペーサを挿入した場合の実施例を示
す。この場合、ボルトとベース101をメタルコンタク
トさせるため金属製のスペーサ801はケースリング部
に挿入し、接着剤硬化時に各々のケースリング部分をプ
レスすることでモジュール完成後の接着剤厚さを場所に
より変えることができる。金属性スペーサの厚さLw1
はLw1=Lg1−Lg2とすることで図6の実施例と
同じ構造とすることが出来る。この方法では同一部品を
使用したモジュールで、ベース上に搭載される絶縁基板
のユニット形状や配置、ベース101やケース106の
材質が変更した場合に、金属性スペーサ801の厚さを
変えるだけでモジュール裏面の反り量を同じ量にコント
ロール出来る。
FIG. 8 shows an embodiment in which the structure of the case ring portion at each location is the same and a metal spacer is inserted. In this case, a metal spacer 801 is inserted into the case ring portion to make the metal contact between the bolt and the base 101, and each case ring portion is pressed when the adhesive is cured, so that the adhesive thickness after completion of the module is changed depending on the location. Can be changed. Thickness Lw1 of metallic spacer
By setting Lw1 = Lg1-Lg2, the same structure as the embodiment of FIG. 6 can be obtained. In this method, when the shape and arrangement of the insulating substrate mounted on the base and the material of the base 101 and the case 106 are changed in the module using the same components, the thickness of the metallic spacer 801 is simply changed. The amount of backside warpage can be controlled to the same amount.

【0027】図9はベース面に突起を設けた場合の実施
例を示す。ボルトとベース101をメタルコンタクトさ
せるためベースの突起部分901はケースリング部分と
する。突起の形成は例えばプレスでベースを打抜く際に
同時に形成することが出来る。また、ベース材にAl−
SiCやCu−SiCのように鋳造で形成可能な材料を
使用する場合は、ベース形成時に突起を設けることでケ
ース106のリング高さを調整しなくても同じ効果が得
られる。ベース突起の高さLtはLt=Lg1−Lg2
とすることで図6の実施例と同じ構造とすることが出来
る。
FIG. 9 shows an embodiment in which a projection is provided on the base surface. In order to make the metal contact between the bolt and the base 101, the projecting portion 901 of the base is a case ring portion. For example, the projections can be formed at the same time when the base is punched out by a press. In addition, Al-
When a material that can be formed by casting, such as SiC or Cu—SiC, is used, the same effect can be obtained by adjusting the height of the ring of the case 106 by providing projections when forming the base. The height Lt of the base projection is Lt = Lg1-Lg2
By doing so, the same structure as the embodiment of FIG. 6 can be obtained.

【0028】図10はモジュール中央H部が取付け穴で
はなくネジによりベースとケースを固定する場合の実施
例を示す。モジュールが大型になるとベース101とケ
ース106のα差で例えばヒートサイクル時に接着剤1
08が劣化する問題が生じる場合がある。この対策とし
て一般的に両材料をネジ1002により機械的に補強す
る方法がある。この時ケース106中にネジを受けるイ
ンサートナット1001を一体に形成する。この部分で
もネジ1002の緩みを防止するためベース101とイ
ンサートナット1001をメタルコンタクトさせる必要
がある。インサートナットを突出させる量により接着剤
厚さを制御し、ベースの反り量を任意に制御可能とな
る。ネジ1002により締付けることで接着剤硬化時の
プレスと同様な効果があるので硬化時は他のモジュール
取付け部分だけをプレスするだけでよくなる。本実施例
ではネジ1002の受け側にインサートナット1001
を使用した実施例を記載したがケース樹脂部に直接ネジ
を締付ける方法もある。この時はケース材の一部に突起
を設けて接着材の厚さを制御することでも同じ効果が得
られる。
FIG. 10 shows an embodiment in which the base and the case are fixed not by mounting holes but by screws at the center H of the module. When the size of the module becomes large, the difference in α between the base 101 and the case 106 causes the adhesive 1
08 may deteriorate. As a countermeasure for this, there is generally a method of mechanically reinforcing both materials with screws 1002. At this time, an insert nut 1001 for receiving a screw is integrally formed in the case 106. Even in this portion, it is necessary to make metal contact between the base 101 and the insert nut 1001 in order to prevent the screw 1002 from being loosened. The thickness of the adhesive is controlled by the amount by which the insert nut is projected, so that the amount of warpage of the base can be arbitrarily controlled. Tightening with the screw 1002 has the same effect as pressing at the time of hardening the adhesive, so at the time of hardening, it is sufficient to press only the other module mounting portions. In this embodiment, an insert nut 1001 is provided on the receiving side of the screw 1002.
Although the embodiment using the above is described, there is also a method of directly tightening a screw to a case resin portion. At this time, the same effect can be obtained by providing a projection on a part of the case material and controlling the thickness of the adhesive.

【0029】図11はモジュール取付け部分にケースリ
ングを配置せずベース面を直接締付ける場合の実施例を
示す。(a)にモジュール取付け部分の斜視図を示す。
モジュール側面のケース106はモジュール取付け穴6
03部分を囲むように形成し、モジュール取付け部分は
ベース101が露出した状態になる。この方法では何の
考慮もしなくて取付けボルトとベース101をメタルコ
ンタクトさせることが出来、ケースの構造も簡略化する
ことが出来る。(b)にモジュールの一部の断面構造を
示す。接着剤の厚さ制御にはケース106の一部に突起
1101,1102を設けてその高さをLs2≠Ls1と
し、接着剤硬化時に突起部分をプレスすることで可能と
なる。
FIG. 11 shows an embodiment in which the base surface is directly tightened without disposing the case ring at the module mounting portion. (A) is a perspective view of a module mounting portion.
The case 106 on the side of the module is
03 is formed so as to surround the portion, and the module mounting portion is in a state where the base 101 is exposed. In this method, the mounting bolt can be brought into metal contact with the base 101 without any consideration, and the structure of the case can be simplified. (B) shows a partial cross-sectional structure of the module. The thickness of the adhesive can be controlled by providing projections 1101 and 1102 on a part of the case 106, setting the height to Ls2 ≠ Ls1, and pressing the projection when the adhesive is cured.

【0030】図12,図13はモジュール裏面で接着剤
厚さを制御する場所を示す。図12の小型のモジュール
の場合、4コーナーのモジュール取付け穴J部の突起高
さを中央部のネジ締付け部分に比べ例えば200μm高
くすることでケース接着前の接合品のベース101の反
り量を200μm凹とすることが出来る。この方法によ
りモジュール完成後の裏面の反り量を凹の状態で50μ
m以下に制御可能となる。図13の大型モジュールの場
合、4コーナーだけを突出させても効果が得られない。
そこで例えばK部は500μm、L部は350μm、M
部は100μmと周辺から徐々に高さを変えることでケ
ース接着前の接合品の接着剤厚さを制御し、モジュール
完成後の反り量を50μm以下に制御可能となる。
FIGS. 12 and 13 show locations on the back of the module where the thickness of the adhesive is controlled. In the case of the small module of FIG. 12, the protrusion height of the module mounting hole J at the four corners is set to, for example, 200 μm higher than that of the screw tightened portion at the center, so that the warpage of the base 101 of the joined product before the case is bonded is 200 μm It can be concave. By this method, the warpage of the back surface after completion of the module is 50 μm in a concave state.
m or less. In the case of the large module of FIG. 13, no effect is obtained even if only the four corners are projected.
Therefore, for example, the K portion is 500 μm, the L portion is 350 μm,
By gradually changing the height of the portion from 100 μm to the periphery, the adhesive thickness of the joined product before the case is bonded can be controlled, and the amount of warpage after completion of the module can be controlled to 50 μm or less.

【0031】これまでの実施例ではケースとベースを接
着する前の反り量をコントロールする手段として、ケー
スあるいはベースに突起を設け、治具等でプレスするこ
とにより接着剤厚さを制御する方法を記載した。しか
し、モジュールが更に大型になると反り量がより大きく
なり接着剤厚さでは吸収しきれなくなる。別の手段とし
て、ベースをケースにプレスするとケースの反り量に変
形することからあらかじめケースのベース接合面に反り
を付けることで接着剤厚さは均一だがケースとベースを
接着する前の反り量をコントロールすることが出来る。
この時モジュール裏面からケース接着面までの距離は均
一になるが、ケースの上面側を基準として、ベースと接
合する面までの高さがモジュール内の場所によって異な
る。この手段でもモジュール完成後の反り量を制御する
ことができる。
In the embodiments described above, as a means for controlling the amount of warpage before the case and the base are bonded, a method is provided in which a projection is provided on the case or the base and the thickness of the adhesive is controlled by pressing with a jig or the like. Described. However, as the size of the module increases, the amount of warpage increases, and the module cannot be absorbed by the thickness of the adhesive. As another means, pressing the base into the case will deform it to the amount of warping of the case, so warping the base joint surface of the case in advance will make the adhesive thickness uniform, but the amount of warping before bonding the case and base will be You can control.
At this time, the distance from the back surface of the module to the case bonding surface becomes uniform, but the height from the top surface of the case to the surface to be joined to the base differs depending on the location in the module. Even with this means, the amount of warpage after completion of the module can be controlled.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば半導体素子とベースを接
合した接合部品とケースを接着する前のベース反り量を
制御することでモジュール完成後のベース裏面の反り量
を所望の方向,大きさにすることができる。それにより
モジュールを実装する放熱フィンの形状,実装方法に合
わせたモジュールが製造可能となる。
According to the present invention, the amount of warpage of the back surface of the base after completion of the module can be controlled in a desired direction and size by controlling the amount of warpage of the base before bonding the case and the joining component obtained by bonding the semiconductor element and the base. Can be This makes it possible to manufacture a module according to the shape and the mounting method of the radiation fin for mounting the module.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を適用したモジュールの断面構造。FIG. 1 is a cross-sectional structure of a module to which the present invention is applied.

【図2】図1とは別の手段でモジュール完成後の裏面の
反りを制御する実施例。
FIG. 2 shows an embodiment in which the warpage of the back surface after completion of the module is controlled by means different from that of FIG.

【図3】本発明によるモジュールと従来方法によるモジ
ュールの比較図。
FIG. 3 is a comparison diagram of a module according to the present invention and a module according to a conventional method.

【図4】突起高さの差と反り量の関係。FIG. 4 shows the relationship between the difference in protrusion height and the amount of warpage.

【図5】本発明によるモジュールと従来モジュールの実
装方法の比較。
FIG. 5 is a comparison of a mounting method of a module according to the present invention and a conventional module.

【図6】ケースリングを突出させた実施例の断面図。FIG. 6 is a sectional view of the embodiment in which a case ring is projected.

【図7】従来モジュールの断面図。FIG. 7 is a sectional view of a conventional module.

【図8】スペーサを適用した実施例の断面図。FIG. 8 is a sectional view of an embodiment to which a spacer is applied.

【図9】底面金属ベースに突起を設けた実施例の断面
図。
FIG. 9 is a sectional view of an embodiment in which a projection is provided on a bottom metal base.

【図10】インサートナットを用いた実施例の断面図。FIG. 10 is a sectional view of an embodiment using an insert nut.

【図11】ケースリングがなく、ベース面を直接締付け
る実施例の断面図。
FIG. 11 is a sectional view of an embodiment in which a base surface is directly tightened without a case ring.

【図12】本発明を適用した小型モジュールの裏面。FIG. 12 is a rear view of a small module to which the present invention is applied.

【図13】本発明を適用した大型のモジュールの裏面。FIG. 13 is a rear view of a large module to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…ベース、102…半導体素子、103…半田、
104…絶縁基板、105…半田接合完了品、106…
ケース、107…ケースの突起部分、108…熱硬化型
接着剤、109…ゲル、110…ベースとの接着面が凹
のケース、301…熱硬化型エポキシ樹脂、501…裏
面が凸のモジュール、502…ボルト、503…放熱フ
ィン、504…グリース、505…裏面が凹のモジュー
ル、601…ケースリング、602…リングを一体化し
たケース、603…モジュール取付け穴、801…金属
製スペーサ、901…ベースの突起部、1001…イン
サートナット、1002…ベース/ケース間固定用ボル
ト、1101,1102…ケースの突起部分。
101: base, 102: semiconductor element, 103: solder,
104: an insulating substrate, 105: a solder-joined product, 106:
Case, 107: Projecting portion of case, 108: Thermosetting adhesive, 109: Gel, 110: Case with concave concave surface to base, 301: Thermosetting epoxy resin, 501: Module with convex rear surface, 502 ... Bolt, 503, radiation fin, 504, grease, 505, module with concave back surface, 601, case ring, 602, case with integrated ring, 603, module mounting hole, 801, metal spacer, 901, base Projection, 1001 insert nut, 1002 base / case fixing bolt, 1101, 1102 projecting part of case.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 明 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 井上 廣一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 隆一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akira Tanaka 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Koichi Inoue 7, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1-1 Inside Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Ryuichi Saito 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi Research Laboratory Hitachi, Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】モジュール底面を支持するベースと、モジ
ュール側面を囲い前記ベースと接着剤により接合される
有機樹脂製ケースと、前記ベース上に接合される絶縁基
板と、絶縁基板上に接合される半導体素子とを有するパ
ワー半導体モジュールにおいて、前記ベースの絶縁基板
を搭載した面と反対側の面を基準面として、該基準面か
らモジュール側面を構成する有機樹脂製ケースの接着面
までの距離がモジュール内部の場所によって異なること
を特徴とするパワー半導体モジュール。
1. A base for supporting a bottom surface of a module, an organic resin case surrounding the side surface of the module and joined to the base by an adhesive, an insulating substrate joined to the base, and joined to the insulating substrate. In a power semiconductor module having a semiconductor element, a distance from the reference surface to an adhesion surface of an organic resin case constituting a side surface of the module is defined as a surface opposite to a surface on which the insulating substrate of the base is mounted. A power semiconductor module characterized by being different depending on an internal place.
【請求項2】モジュール底面を支持する金属,ベース
と、モジュール側面を囲い前記ベースと接着剤により接
合される有機樹脂製ケースと、前記ベース上に接合され
る絶縁基板と、前記絶縁基板上に接合される半導体素子
とを有するパワー半導体モジュールにおいて、前記ケー
スの上面側を基準面として、該基準面から、前記ケース
が前記ベースと接着する面までの高さがモジュール内の
場所によって異なることを特徴とするパワー半導体モジ
ュール。
2. A metal and base supporting a module bottom surface, an organic resin case surrounding the module side surface and joined to the base by an adhesive, an insulating substrate joined to the base, and In a power semiconductor module having a semiconductor element to be joined, a height from the reference surface to a surface where the case is bonded to the base is different depending on a position in the module, with the upper surface side of the case being a reference surface. Characteristic power semiconductor module.
JP15064397A 1997-06-09 1997-06-09 Power semiconductor module Expired - Lifetime JP3336910B2 (en)

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