(57)【要約】【課題】  放熱性に優れ、応力によるクラックや剥離が防止された、トランスファーモールド型のパワーモジュールを得る。【解決手段】  複数の配線セラミック基板１にそれぞれ各１個のパワー半導体素子２が搭載されたトランスファーモールド型のパワーモジュールであり、上記配線セラミック基板１はセラミック基板１ａに配線層１ｂが形成されたものからなり、接合部材３ａが上記配線セラミック基板１のセラミック基板１ａに、接合部材３ｂが配線層１ｂに接合され、接合部材３ｃが配線層１ｂに接合されるとともに別の配線セラミック基板１に架設されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板に配線層が形成されてなる複数の配線セラミック基板と、少なくとも一つの上記配線層に搭載されたパワー半導体素子と、上記複数の配線セラミック基板および上記パワー半導体素子をモールドする封止樹脂と、上記複数の配線セラミック基板に接合された接合部材とを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
接合部材がリード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３】
接合部材が配線セラミック基板間に架設されてい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】
セラミック基板のパワー半導体素子搭載面の大きさが、上記パワー半導体素子の大きさを越え、セラミック基板面の最長の対角線長さが４１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
配線セラミック基板には半導体素子が搭載され、上記半導体素子の少なくとも一つがパワー半導体素子であり、上記半導体素子の搭載面の反対面に、外周端領域の少なくとも一部を除いて金属層が設けられ、封止樹脂は、上記反対面の金属層が設けられていない領域に連続して設けられてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱特性に優れたパワーモジュール、特にトランスファーモールド型のパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールにおいては、電気的な絶縁を確保しながら、パワー半導体素子から発生する熱をいかに放熱するかが重要である。
従来のパワーモジュールとしては、導電体板を設けたセラミック基板を放熱板上に取り付け、上記導電体板に半導体チップ（パワー半導体素子）を搭載し、上記セラミック基板における導電体板の周囲端部に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の固体絶縁物を配置し、上記セラミック基板を囲うように上記放熱板上にケースを設け、このケース内にシリコーンゲルを封止樹脂として充填したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７６１９７号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のパワーモジュールは、放熱特性に優れているがコストが高く、封止樹脂として用いたシリコーンゲルは柔軟性があるが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の硬い絶縁物を封止樹脂として用いたものに比べて破壊電圧が低い。
一方、上記硬い絶縁物を封止樹脂とし、セラミック基板を用いて、量産性に優れたトランスファーモールドによりパワーモジュールを製造する方法が用いられるが、この方法では、上記封止樹脂と配線セラミック基板とでは線膨張係数が大きく異なるため、製造工程中または使用中において、封止樹脂とセラミック基板の間に応力が発生し、上記封止樹脂の配線セラミック基板との界面における剥離やセラミック基板の割れが発生するという課題がある。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、放熱性に優れ、クラックや剥離が防止された、トランスファーモールド型のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワーモジュールは、セラミック基板に配線層が形成されてなる複数の配線セラミック基板と、少なくとも一つの上記配線層に搭載されたパワー半導体素子と、上記複数の配線セラミック基板および上記パワー半導体素子をモールドする封止樹脂と、上記複数の配線セラミック基板に接合された接合部材とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、配線セラミック基板を複数個用いることにより、セラミック基板のクラックや封止樹脂の剥離が防止された、トランスファーモールド型のパワーモジュールを得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１おける、トランスファーモールド用の封止樹脂６を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、各々図１のａ−ａ線における断面図と、ｂ−ｂ線における断面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、４個の配線セラミック基板１にそれぞれ各１個のパワー半導体素子２が搭載されたもので、上記配線セラミック基板１はセラミック基板１ａに配線層１ｂが形成されたものからなり、上記配線セラミック基板１の配線層１ｂに各１個のパワー半導体素子２がダイボンド剤４により搭載されている。また、接合部材３ａが上記配線セラミック基板１のセラミック基板１ａに、接合部材３ｂが配線層１ｂに接合され、接合部材３ｃが配線層１ｂに接合されるとともに別の配線セラミック基板１に架設されている。また、パワー半導体素子２の上面とリード３ｘ間およびパワー半導体素子２の上面と接合部材３ｂ間は、ワイヤ５により接続され、封止樹脂６で封止されたトランスファーモールド型のものである。なお、本実施の形態に係わる上記接合部材３ａ〜３ｃは、製造工程において有効となるもので、詳細は下記に示す。
また、図１に示すように、本実施の形態のパワーモジュールは、上記配線セラミック基板１における、パワー半導体素子２の搭載面の反対面を露出させてモールドされているので高い放熱性を維持することができる。
【０００９】
図３（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態における、トランスファーモールドによるパワーモジュールの製造方法の概略を示す工程図である。
まず、図３（ａ）に示すように、半田をダイボンド剤４として、パワー半導体素子２を配線セラミック基板１の配線層１ｂの所定位置に固定する。上記のように、ダイボンド剤４として半田を用いる場合は、上記配線層１ｂの表面にニッケルメッキが施されているのが好ましいが、ダイボンド剤４として導電性樹脂を用いたり、ダイボンド剤４として半田を用いて還元雰囲気下で固定する場合は必ずしも必要ではない。
また、図３（ｂ）に示すリードフレーム３を用意する。つまり、リードフレーム３は、トランスファーモールドにおいて固定部材となるフレーム３０と、一方が上記フレーム３０に接合したリード３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｘとからなる。また、上記リード３ａ、３ｂ、３ｃは各々配線セラミック基板１に接合するように設けられ、本実施の形態に係わる接合部材となるものである。
なお、リードフレーム３の材質は特に限定されるものではないが、導電性に優れるとともに安価であることから、銅およびその合金が好ましく、半田とのぬれ性改善や酸化防止の面から、表面にニッケル等によるメッキを施していてもよい。
【００１０】
次に、図３（ｃ）に示すように、上記リードフレーム３の接合部材（リード）３ａ、３ｂ、３ｃの先端部に、パワー半導体素子２を搭載した複数の配線セラミック基板１を載置し、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃを各配線セラミック基板１に接合することにより、配線セラミック基板１をフレーム３０に固定する。接合部材３ｃは配線セラミック基板１間に架設され、複数の配線セラミック基板１を効率良くフレーム３０に安定に固定することができる。
なお、上記接合部材３ａ、３ｂ、３ｃと配線セラミック基板１の配線層１ｂとの接合は、半田接合、溶接または超音波接合などにより行われ、配線セラミック基板１のセラミック基板１ａとの接合は接着剤により行う。
また、パワー半導体素子の上面とリード３ｘ間は、通常アルミワイヤ５を用いてワイヤボンドで接続するが、電流量を多く流す必要があれば金属板を用いることができる。
【００１１】
次に、図３（ｄ）に示すように、図では金型を省略しているが、複数の配線セラミック基板１を固定したリードフレーム３を、約１８０℃に設定した金型内に設置し、例えばエポキシ樹脂に無機フィラーを充填した封止樹脂６を注入して硬化させ、量産性に優れているトランスファーモールドにより成型する。
その後、図３（ｅ）に示すように、フレーム３０を切断除去して本実施の形態のパワーモジュールを得る。
上記のように、本実施の形態においては、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃにより、複数の配線セラミック基板１がフレーム３０に安定に固定されるので、量産性に優れたトランスファモールドにより信頼性よくパワーモジュールを製造することができる。
【００１２】
なお、上記パワーモジュールの製造工程中や使用中における、封止樹脂６の配線セラミック基板１との界面における剥離やセラミック基板１ａの割れは、配線セラミック基板１が小さい程、より正確にはセラミック基板１ａ面の最長の対角線長さが短い程発生し難くなる。
つまり、上記封止樹脂６と配線セラミック基板１との界面においては、トランスファーモールド時に封止樹脂６が反応によって収縮するために発生する硬化収縮応力と、封止樹脂６と配線セラミック基板１の線膨張率の違いにより、成形時の温度と使用時の温度の差に基づいて発生する熱応力との合算の応力（合算応力）が発生する。
上記合算応力は配線セラミック基板１の中央部からの距離が長くなる程大きくなり、上記剥離または割れが生じやすくなるので、本実施の形態のパワーモジュールでは、配線セラミック基板１を複数個として一個当たりの配線セラミック基板１を小さくし、上記各配線セラミック基板１の中央部からの距離を短く、つまり、セラミック基板１ａ面の最長の対角線長さを短くすることにより、相対的に上記合算応力を小さくして、上記剥離または割れを防止しようとするものである。
【００１３】
表１は、実施の形態１−１〜３および比較例１、２のパワーモジュールにおける、四角形のセラミック基板１ａの二辺のサイズと最長の対角線長さ、パワー半導体素子２の個数、並びに評価結果を示したものである。
なお、パワーモジュールの評価は、上記パワーモジュールの製造工程終了直後、並びに上記パワーモジュールに、「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルおよび１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施し、封止樹脂６の配線セラミック基板１との界面における剥離（表中に剥離と記載）またはセラミック基板１ａのクラック（表中、割れと記載）が生じたパワーモジュールの割合を不良率として示すことにより行った。
また、３００サイクルは民生用や一般産業用などで要求される信頼性レベル、１０００サイクルは自動車用などで要求される高信頼性レベルである。
【００１４】
つまり、封止樹脂６として、線膨張係数が１０×１０−６／℃、曲げ弾性率が２０ＧＰａ、ガラス転移温度が１６０℃、硬化収縮率が約０．２％の樹脂を用い、配線セラミック基板１として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなり厚さが０．６３５ｍｍで表１に示す各大きさの四角形のセラミック基板１ａに、０．２ｍｍ厚の銅層を設けたものを用い、パワー半導体素子として、表１に示す個数のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはダイオードを搭載して製造したパワーモジュールの上記不良率を検出した。
表１に示すように、配線セラミック基板１として、１６×４８（ｍｍ）のセラミック基板１ａを用い、１２個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール（比較例１）では製造直後で不良率が１００％であったのに対して、上記比較例１で用いたセラミック基板１ａを３分割した大きさに相当するセラミック基板１ａを３個用い、上記各配線セラミック基板１に各４個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール（実施の形態１−１）、および２分割した大きさに相当するセラミック基板１ａを２個用い、上記各配線セラミック基板１に各６個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール（実施の形態１−２）では、上記１０００サイクルのヒートサイクル試験においても割れは生じていない。また、配線セラミック基板１として、３８×３８（ｍｍ）の大きさのセラミック基板１ａを用い、４個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール（比較例２）では３００サイクル後の不良率が１００％であったのに対して、上記比較例２で用いたセラミック基板１ａを４分割した大きさに相当するセラミック基板１ａを４個用い、上記各配線セラミック基板１に各１個のパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール（実施の形態１−３）では１０００サイクルのヒートサイクル試験においても割れは生じていない。
以上のことから、配線セラミック基板１を複数個用いることにより、配線セラミック基板１と封止樹脂６との界面に発生する応力を低減することで、配線セラミック基板１の割れや界面での剥離を防止でき、ヒートサイクル信頼性が向上することが示される。
なお、上記のように、本実施の形態における配線セラミック基板１は、セラミック基板１ａに配線層１ｂとして０．２〜０．３ｍｍの銅層を直接接合したものが用いられるが、上記セラミック基板１ａと配線層１ｂとは強固に接合されて１つのバイメタルとして作用し、また、セラミック基板１ａが配線層１ｂより厚く、配線セラミック基板１の端部はセラミック基板１ａが露出し、上記端部で剥離が発生して界面全域に広がり易いことから、封止樹脂６と配線セラミック基板１との線膨張率の違いによる熱応力に対しては、セラミック基板１ａの大きさ、つまりセラミック基板１ａ面の対角線長さが大きく影響する。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
表２は、実施の形態１−４〜８と比較例３〜５のパワーモジュールにおける、四角形のセラミック基板１ａの二辺のサイズと最長の対角線長さ、パワー半導体素子２の個数、並びに評価結果を示す。また、不良率は、上記と同様にしてパワーモジュールを製造して得たものである。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
表１、表２に示すように、比較例１〜比較例５では製造工程後にすでに不良が発生しているのに対して、実施の形態１−１〜８（セラミック基板１ａ面の最長の対角線長さが４１ｍｍ以下）では、上記３００サイクルのヒートサイクル試験においても不良が見られず、実施の形態１−１〜６（セラミック基板１ａ面の最長の対角線長さが３４ｍｍ以下）では、上記１０００サイクルのヒートサイクル試験においても不良が見られないことから、セラミック基板１ａ面の最長の対角線長さは４１ｍｍ以下が好ましく、３４ｍｍ以下が特に好ましいことがわかる。なお、本実施の形態に係わるセラミック基板１ａは、搭載されるパワー半導体素子を越える大きさであるのが好ましいが、上記接合部材との接合安定のためには上記パワー半導体素子の大きさの１．２倍以上であるのがより好ましい。
【００１９】
本実施の形態に係わる配線セラミック基板１におけるセラミック基板１ａとしては、絶縁性で熱伝導性が良好なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）（熱伝導率：２０〜４０Ｗ／ｍＫ,線膨張係数：約７×１０−６／℃）、信頼性やコストの面から好ましい窒化アルミ(ＡｌＮ)（熱伝導率７０〜２００Ｗ／ｍＫ,線膨張係数：約４×１０−６／℃）、強度が強い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）（熱伝導率３０〜８０Ｗ／ｍＫ,線膨張係数：約３×１０−６／℃）のセラミック基板用いられ、封止樹脂６としてはエポキシ樹脂に溶融シリカを８０重量％以上充填したもので、線膨張係数が８〜１２×１０−６／℃のものが用いられる。
また、本実施の形態に係わるセラミック基板１ａの厚さは０．２〜１．０ｍｍであるのが好ましく、セラミック基板１ａの厚さが０．２ｍｍ未満では絶縁性や強度が低下する可能性があり、１．０ｍｍを越えると放熱性が悪くなる。
なお、本実施の形態に係わる配線セラミック基板１におけるセラミック基板１ａとして、０．２〜１．０ｍｍ厚のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミ(ＡｌＮ)または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）のセラミック基板を用いた場合も、本実施の形態と同様の結果が得られた。
【００２０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における、封止樹脂６を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図、図５は図４のＢ−Ｂ線における断面図、図６は本実施の形態における、配線セラミック基板１のパワー半導体素子２の搭載面の反対面から見たパワーモジュールの概略構成を示す下面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、２個の配線セラミック基板１に各々２個のパワー半導体素子２が搭載され、接合部材３ｄ、３ｅ、３ｆと接合され、配線セラミック基板１のパワー半導体素子２の搭載面の反対面に銅層等の金属層１ｃが設けられ、また、図５に示すように、配線セラミック基板１のパワー半導体素子２の搭載面の反対面に、外周端領域１ｄを除いて内側に銅層等の金属層１ｃが設けられ、封止樹脂６が上記金属層１ｃが設けられていない外周端領域１ｄに連続して設けられている他は実施の形態１と同様である。本実施の形態のパワーモジュールは、配線セラミック基板１のパワー半導体素子の搭載面の反対面に金属層１ｃと封止樹脂６を設けることにより、高い放熱性を維持するとともに、セラミック基板１ａを保護することができる。
【００２１】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３における、封止樹脂６を透視したパワーモジュールの概略構成を示す上面図、図８は図７のＣ−Ｃ線における断面図である。
本実施の形態のパワーモジュールは、実施の形態１において、パワー半導体素子２が搭載された部分以外の配線セラミック基板１上に、応力緩和層７を設けている他は実施の形態１と同様である。本実施の形態において、エポキシ樹脂を封止樹脂６として用いると、上記応力緩和層７として、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂等を用いることにより、セラミック基板１ａと封止樹脂６との間に発生する応力を緩和することができる。なお、上記応力緩和層７は、パワー半導体素子２の上面を被覆せず、配線セラミック基板１の全面を被覆することが好ましく、厚さが０．０３〜０．２０ｍｍであると効果的に応力を緩和することができる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１〜実施の形態３においては、配線セラミック基板１に搭載された半導体素子が全てパワー半導体素子２である場合を示したが、パワー半導体素子２の一部が駆動半導体素子等、他の半導体素子で置換されていても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における、パワーモジュールの概略構成を示す上面図と断面図である。
【図２】図１のａ−ａ線における断面図と、ｂ−ｂ線における断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における、パワーモジュールの製造方法の概略を示す工程図である。
【図４】本発明の実施の形態２における、パワーモジュールの概略構成を示す上面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における、パワーモジュールの概略構成を示す下面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における、パワーモジュールの概略構成を示す上面図である。
【図８】図７のＣ−Ｃ線における断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  配線セラミック基板１、１ａ  セラミック基板、１ｂ  配線層、１ｃ  金属層、１ｄ  外周端領域、２  パワー半導体素子、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ  接合部材（リード）、３ｘ  リード、６  封止樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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