(57)【要約】【課題】電力半導体素子のエミッタ電極に高温、高圧力を印加することなく接続された金属の配線板を備え、金属の配線板とエミッタ電極と接続抵抗が小さい、電力半導体素子のダメージがなく信頼性に優れ、且つ、小形で電流容量の大きなパワーモジュールを得ること。【解決手段】絶縁基板４と、前記絶縁基板４に積層接合された導体板５と、前記導体板５にコレクタ電極１１を有する面で接合された電力半導体素子１と、前記電力半導体素子１のエミッタ電極１２と電気的に導通する金属配線板２と、前記エミッタ電極１２と前記金属配線板２との間に設けられ、且つ、前記エミッタ電極と１２前記金属配線板２とに接合された複数のバンプ３とを備えたパワーモジュールとすることである。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、前記絶縁基板に積層接合された導体板と、前記導体板にコレクタ電極を有する面で接合された電力半導体素子と、前記電力半導体素子のエミッタ電極と電気的に導通する金属配線板と、前記エミッタ電極と前記金属配線板との間に設けられ、且つ、前記エミッタ電極と前記金属配線板とに接合された複数のバンプとを備えたパワーモジュール。
【請求項２】
カソード電極を有する面が導体板に接合され、アノード電極が金属配線板と導通し、電力半導体素子と電気的に並列接続されたダイオードと、前記アノード電極と前記金属配線板との間に設けられ、且つ、前記アノード電極と前記金属配線板とに接合された複数のバンプとを備え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。
【請求項３】
バンプとエミッタ電極との接合部の面積の合計が、前記エミッタ電極の面積に対して５〜５０％の割合であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
バンプとエミッタ電極との接合部の面積の合計が、前記エミッタ電極の面積に対して５〜５０％の割合であり、バンプとアノード電極との接合部の面積の合計が、前記アノード電極の面積に対して５〜５０％の割合であること特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力制御等に使用されるパワーモジュール、特に、小形で電流容量の大きなパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の小形で電流容量の大きなパワーモジュールにおいては、シリコンチップからなる電力半導体素子のコレクタ電極が、半田付け、ろう付け、銀ペーストなどにより、金属フレームやセラミック基板のメタライズ面に、固定されている。そして、電力半導体素子のエミッタ電極には、大きな電流を流すためにワイヤボンドに替えて金属の配線板が大面積で接合されている。
このエミッタ電極に金属の配線板を大面積で容易に接合するものとして、導電性樹脂による接続が行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、エミッタ電極に金属の配線板を大面積で接合するものとして、真空中または不活性雰囲気中で加圧、加熱し、拡散接合や熱圧着による接続が行われている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１７０８７号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−３０７５９６号公報（第２頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、エミッタ電極に金属の配線板を導電性樹脂により接続したパワーモジュールでは、導電性樹脂の電気抵抗が金属の電気抵抗より大きいため、大電流を流すことができないという問題があった。
また、真空中または不活性雰囲気中で加圧、加熱し、拡散接合や熱圧着によりエミッタ電極と金属の配線板とを直接接合したパワーモジュールでは、接合時に高温に加熱しなければならいので、電力半導体素子に大きな熱的ダメージが与えられ、熱ひずみや反りが発生しやく、より低温で接合するためには、高圧力を印加する必要があり、電力半導体素子へのダメージが大きいという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためなされたもので、その目的は、電力半導体素子のエミッタ電極などの主回路配線電極と、この主回路配線電極に高温、高圧力を印加することなく接続された金属の配線板を備え、金属の配線板の接続による電力半導体素子のダメージがなく信頼性に優れた、且つ、主回路配線電極と金属の配線板との接続抵抗が小さく小形で電流容量の大きなパワーモジュールを得るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のパワーモジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板に積層接合された導体板と、前記導体板にコレクタ電極を有する面で接合された電力半導体素子と、前記電力半導体素子のエミッタ電極と電気的に導通する金属配線板と、前記エミッタ電極と前記金属配線板との間に設けられ、且つ、前記エミッタ電極と前記金属配線板とに接合された複数のバンプとを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構造を示す縦断面（ａ）と封止樹脂を除いた上面（ｂ）とを示す模式図である。
図１に示す本実施の形態のパワーモジュール１５では、絶縁基板４の一方の表面に導体板５が積層され、接合している。導体板５上には電力半導体素子１が配置されている。すなわち、電力半導体素子１の一方の主面にコレクタ電極１１が設けられており、このコレクタ電極１１が導体板５に接合されている。コレクタ電極１１と接合している導体板５には、パワーモジュール１５から突出し、外部の回路と接続するための第１の端子電極６が接続されている。本実施の形態では、第１の端子電極６は、金属板を加工して導体板５と一体のものとして形成されているが、別に作製して導体板５に接合しても良い。
【０００８】
また、電力半導体素子１の他方の主面には、エミッタ電極１２とゲート電極１３とが設けられており、大電流が流れる主回路電極であるエミッタ電極１２は、金属配線板２と電気的に導通している。すなわち、金属配線板２とエミッタ電極１２との間には複数のバンプ３が設けられており、この複数のバンプ３は、金属配線板２と電力半導体素子１のエミッタ電極１２とに接合している。
また、大電流を流さないので、ゲート電極１３と絶縁基板４に設けられた制御電極８との電気的接続には、例えば金属ワイヤ９が用いられている。
【０００９】
金属配線板２におけるバンプ３との接合部との反対側の端部は、パワーモジュール１０から突出し、外部の回路と接続するための第２の端子電極７と接続されている。本実施の形態では、絶縁基板４上に固定された第２の端子電極７上の中継部に金属配線板２の端部が接合されている。
【００１０】
そして、本実施の形態では、少なくとも、絶縁基板４、導体板５、電力半導体素子１、金属配線板２および金属ワイヤ９は封止樹脂１０で封止されている。しかし、電力半導体素子１で発生した熱を、導体板５とこれに接合されている絶縁基板４を介して逃がすようになっており、絶縁基板４の導体板５が設けられている面と対向する面は露出している。
【００１１】
すなわち、本実施の形態のパワーモジュール１５は、次のような工程で製造する。まず、絶縁基板４上に導体板５を積層して接合し、この導体板５に電力半導体素子１のコレクタ電極１１を接合する。
次に、金属配線板２の一端におけるエミッタ電極１２と対向する面に、複数のバンプ３を設ける。このバンプ３をエミッタ電極１２と接触し、金属配線板２上から超音波を加えて、バンプ３とエミッタ電極１２とを接合する。そして、金属配線板２の他端は、第２の端子電極７上の中継部に接合する。
次に、電力半導体素子１のゲート電極１３と制御電極８とを、金属ワイヤ９で接続する。最後に、封止樹脂１０で全体を封止し、パワーモジュール１５を完成する。
【００１２】
本実施の形態において、絶縁基板４は、半導体素子１で発生した熱を外部に逃がす必要があるので、高熱伝導性が要求される。したがって、絶縁基板４には、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミック基板、または、エポキシ樹脂に、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などの充填材を充填した有機絶縁材料基板が用いられる。セラミック基板の場合、片面にニッケル−金メッキを行い、導体板５を半田で接合する。エポキシ系の有機系絶縁材料基板の場合、基板形成時に導体板５ともに成形し、エポキシ樹脂の接着性を利用して、導体板５を絶縁基板４に接着する。
また、絶縁基板４は、露出面となる側に金属層を設けても良い。この金属層としては、熱伝導性やコストの面から銅箔が好ましい。この金属層を設けると、絶縁基板４が直接外部に露出しなくなり、絶縁基板４を機械的に保護できる。
【００１３】
本実施の形態において、導体板５としては、例えば、銅の板や箔が用いられ、酸化防止のためにニッケルメッキをしても良い。そして、導体板５と電力半導体素子１のコレクタ電極１１との接合には、例えば、コレクタ電極１１面をニッケル−金メッキし、鉛フリー半田が用いられる。
金属ワイヤ９としては、アルミニウム線や金線が用いられ、ワイヤボンド法により、ゲート電極１３や制御電極８に接合される。
また、封止樹脂１０としては、例えば、エポキシ樹脂にシリカの充填材を充填したモールド樹脂が用いられ、トランスファーモールド法により、パワーモジュールを封止する。
【００１４】
本実施の形態において、金属配線板２のエミッタ電極１２と対向する部分に設けるバンプ３としては、アルミニウムまたは金のバンプが用いられる。このバンプ３は、銅の金属配線板２にワイヤーボンダーを用い定法のバンプ形成法により形成する。
そして、アルミニウムまたは金のバンプ３を、アルミニウムからなるエミッタ電極１２に接触させ、金属配線板２上から超音波を印加することにより、アルミニウム同士の金属間結合またはアルミニウムと金との合金層での金属間結合を形成させて、バンプ３をエミッタ電極１２に接合する。このバンプ３とエミッタ電極１２との接合は、室温（１５〜３０℃）、２〜１０秒の条件でできる。
【００１５】
図２は、複数のバンプ３が設けられた金属配線板２の平面（ａ）とａ−ａ’断面（ｂ）とを示す図である。バンプ３は、例えば、金属配線板２との接合部が直径０．３〜０．６ｍｍの円形で、高さが０．５〜１ｍｍの球状であるが、バンプを形成できれば、この寸法、形状に限定されない。複数個のバンプ３が、金属配線板２のエミッタ電極１２と対向する部分に一定の間隔をあけて設けられている。設けられるバンプ３の数は、バンプ３をエミッタ電極１２に接合した時、バンプ３とエミッタ電極１２とが接合ている部分の面積（バンプ接合面積）の合計が、エミッタ電極１２の面積に対して５〜５０％の割合となる数であり、好ましくは１０〜３５％となる数である。前記バンプ接合面積が５％未満では、金属配線板２とエミッタ電極１２との間の抵抗が大きくなり、電流が制限され、コンパクトで容量の大きなパワーモジュールが実現できない。また、前記バンプ接合面積が５０％より大きいと、接合部の面積が大きくなり、バンプ３とエミッタ電極１２との接合に、長時間を要し、生産性が低下する。
【００１６】
本実施の形態のパワーモジュール１５は、電力半導体素子１のエミッタ電極１２と、外部回路に接続できる第２の端子電極７とつながる金属配線板２とが複数のバンプ３で接合されているので、大電流を流すことができ、大容量のパワーモジュールが実現できる。
また、金属配線板２にバンプ３を設けているので、エミッタ電極１２とバンプ３を、室温での超音波の印加により短時間で接合し、金属配線板２とエミッタ電極１２との導通がとれるので、半田接合の場合に必要なエミッタ電極１２のメッキが不要であり、パワーモジュールの製造コストを低減できる。また、高温、高圧力を加えることなしに接合できるので、パワーモジュールの信頼性が低下しない。
【００１７】
本実施の形態では、バンプ３を金属配線板２に設けたが、電力半導体素子１のエミッタ電極１２に設けても良い。
バンプ３をエミッタ電極１２に設けた場合は、エミッタ電極１２のアルミニウムと金バンプとの合金層の金属間結合、あるいは、エミイタ電極１２のアルミニウムとアルミニウムバンプとのアルミニウム同士の金属間結合で、接合される。そして、金属配線板２とは、銅ー金または銅ーアルミニウムの合金層による金属間結合で接合される。
このような構成のパワーモジュールも、前記本実施の形態のパワーモジュールと同様な効果が得られる。
【００１８】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの構造を示す縦断面（ａ）と封止樹脂を除いた上面（ｂ）とを示す模式図である。
図３に示すパワーモジュール１５では、実施の形態１のパワーモジュールにおいて、導体板５上に電力半導体素子１とともに、ダイオード２１が設けられている。すなわち、ダイオード２１のカソード電極２２が鉛フリー半田により銅の導体板５に接合されている。
【００１９】
ダイオード２１のアノード電極２３は、電力半導体素子１のエミッタ電極１２と同様、金属配線板２またはアノード電極２３に設けられた、金またはアルミニウムのバンプ２４を介して、金属配線板２と接合されている。本実施の形態のバンプ２４は、実施の形態１のバンプ３と同様な寸法、形状であり、実施の形態１と同様にして設けられている。設けられるバンプ２４の数は、バンプ２４がアノード電極２３と接合している部分の面積（バンプ接合面積）の合計が、アノード電極２３の面積に対して５〜５０％の割合となる数であり、好ましくは１０〜３５％となる数である。前記バンプ接合面積が５％未満では、金属配線板２とアノード電極２３との間の抵抗が大きくなり、ダイオード２１に流れる電流が制限される。また、前記バンプ接合面積が５０％より大きいと、金属配線板２とアノード電極２３との接合に、長時間を要し、生産性が低下する。
【００２０】
このような構造とすると、ダイオード２１のアノード電極２３と、外部回路と接続できる第２の端子電極７につながる金属配線板２とが、複数のバンプ２４で接続されるので、大電流を流すことができ、大容量のパワーモジュールが実現できる。
また、金属配線板２にバンプ２４を設けているので、アノード電極２３と金属配線板２とを、室温での超音波の印加により短時間で接合でき、金属配線板２とアノード電極２３との導通がとれるので、半田接合の場合に必要なアノード電極２３のメッキが不要であり低コストで接合でき、また、高温、高圧力を加えることなしに接合できるので、パワーモジュールの信頼性が低下しないという実施の形態１と同様な効果が得られる。
本実施の形態では、電力半導体素子１とダイオード２１とが１組のパワーモジュールであるが、複数組の、電力半導体素子１とダイオード２１とを備えたパワーモジュールであっても良い。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のパワーモジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板に積層接合された導体板と、前記導体板にコレクタ電極を有する面で接合された電力半導体素子と、前記電力半導体素子のエミッタ電極と電気的に導通する金属配線板と、前記エミッタ電極と前記金属配線板との間に設けられ、且つ、前記エミッタ電極と前記金属配線板とに接合された複数のバンプとを備えたものであり、電力半導体素子の主回路配線電極であるエミッタ電極と、このエミッタ電極に導通する金属配線板が高温、高圧力を印加することなく接続されており、電力半導体素子のダメージがなく信頼性に優れ、且つ、主回路配線電極と金属の配線板との間の抵抗が小さく、小形で電流容量の大きなパワーモジュールである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１におけるパワーモジュールの構造を示す縦断面（ａ）と封止樹脂を除いた上面（ｂ）とを示す模式図である。
【図２】複数のバンプが設けられた金属配線板の平面（ａ）とａ−ａ’断面（ｂ）とを示す図である。
【図３】実施の形態２におけるパワーモジュールの構造を示す縦断面（ａ）と封止樹脂を除いた上面（ｂ）とを示す模式図である。
【符号の説明】
１  電力半導体素子、２  金属配線板、３  バンプ、４  絶縁基板、５  導体板、１１  コレクタ電極、１２  エミッタ電極、１５  パワーモジュール、２１ダイオード、２２  カソード電極、２３  アノード電極、２４  バンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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