(57)【要約】【課題】アルミワイヤ接合部の信頼性の劣化を防止し、ＳｉやＳｉＣデバイスの高温動作を可能にするパワーモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかるパワーモジュールは、ケース８内に配置された絶縁基板５と、絶縁基板５上に接合されたパワー素子１と、パワー素子１の表面電極に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第１配線部材としての配線部材９と、配線部材９の第１側面と対向する第２側面に接続された配線としてのアルミワイヤ３と、絶縁基板５、パワー素子１、配線部材９、アルミワイヤ３を覆ってケース８内に充填される封止材２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に接合されたパワー素子と、
前記パワー素子の表面電極に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第１配線部材と、
前記第１配線部材の前記第１側面と対向する第２側面に接続された配線と、
前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材、前記配線を覆って前記ケース内に充填される封止材とを備える、
パワーモジュール。
【請求項２】
前記第１配線部材の熱膨張率は、前記パワー素子の熱膨張率より大きい、
請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１配線部材は、前記第１側面に対応する部材が、他の側面に対応する部材よりも熱膨張率が低い部材である、
請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記封止材は、
前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面が露出するように、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材を覆って前記ケース内に充填される第１封止材と、
前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面、前記配線を覆って、前記第１封止材上にさらに充填される第２封止材とを備える、
請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記絶縁基板の表面パターンに第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第２配線部材をさらに備え、
前記第１封止材は、少なくとも前記第２配線部材の前記第１側面と対向する第２側面が露出するように、前記第２配線部材を覆って充填され、
前記第２封止材は、少なくとも前記第２配線部材の前記第２側面を覆って充填される、
請求項４に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記封止材は、エポキシ樹脂である、
請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記絶縁基板上に前記パワー素子は複数配置され、
前記第１配線部材は複数の前記パワー素子に対応して備えられ、複数の前記パワー素子の各表面電極に対応して各前記第１側面が接合され、
前記各第１配線部材の各前記第２側面は、互いに接合される、
請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である、
請求項１〜７のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項９】
請求項４に記載のパワージュールを製造する方法であって、
（ａ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面が露出するように、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材を覆って前記ケース内に前記第１封止材を充填する工程と、
（ｂ）前記第１封止材を充填し露出した前記第１配線部材の前記第２側面に、前記配線を接続する工程と、
（ｃ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面、前記配線を覆って、前記第１封止材上に前記第２封止材をさらに充填する工程とを備える、
パワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュールおよびその製造方法に関し、特に高温度で動作させるパワーモジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールは、通常、絶縁基板は、窒化アルミ（以後ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2０3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などのセラミックで形成され、銅またはアルミの金属パターンがその表裏面上に形成されている。絶縁基板上に配置されるパワー素子は、この絶縁基板の金属パターン上にはんだで接合され、パワー素子の電極から端子部へアルミワイヤで配線がなされ、全体がシリコーンゲルなどの封止材で封止されている。特許文献１に示すような場合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワーモジュールが動作すると、パワー素子の抵抗成分に電流が流れ、素子が発熱し、この熱は絶縁基板、はんだ、ベース板を経由して外部の冷却器へ伝わり熱放散される。
【０００５】
しかしながら、パワー素子に接合されたアルミワイヤのその接合部は、パワー素子の熱が伝わり温度が上昇し、接合の信頼性が低下するという問題があった。また、パワー素子の熱膨張率（線膨張率）とアルミワイヤの熱膨張率（線膨張率）との差により繰り返し熱応力が加わり、界面付近で疲労破壊を起こし破断にいたる場合があるという問題があった。特にＳｉＣデバイスのような高温動作が可能なデバイスであれば、動作温度がさらに高くなり、この接合部の信頼性は顕著に低下する。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、アルミワイヤ接合部の信頼性の劣化を防止し、ＳｉやＳｉＣデバイスの高温動作を可能にするパワーモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかるパワーモジュールは、ケース内に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板上に接合されたパワー素子と、前記パワー素子の表面電極に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第１配線部材と、前記第１配線部材の前記第１側面と対向する第２側面に接続された配線と、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材、前記配線を覆って前記ケース内に充填される封止材とを備える。
【０００８】
また、本発明にかかるパワーモジュールの製造方法は、（ａ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面が露出するように、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材を覆って前記ケース内に前記第１封止材を充填する工程と、（ｂ）前記第１封止材を充填し露出した前記第１配線部材の前記第２側面に、前記配線を接続する工程と、（ｃ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面、前記配線を覆って、前記第１封止材上に前記第２封止材をさらに充填する工程とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかるパワーモジュールによれば、ケース内に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板上に接合されたパワー素子と、前記パワー素子の表面電極に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第１配線部材と、前記第１配線部材の前記第１側面と対向する第２側面に接続された配線と、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材、前記配線を覆って前記ケース内に充填される封止材とを備えることにより、パワー素子表面と配線の接合部との間の距離が大きくなり熱が直接伝わることを抑制でき、その信頼性の劣化を防止することができる。また、パワー素子の熱膨張率と配線の熱膨張率との差による熱応力を抑制し、接合の破断可能性を抑えることができる。
【００１０】
また、本発明にかかるパワーモジュールの製造方法によれば、（ａ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面が露出するように、前記絶縁基板、前記パワー素子、前記第１配線部材を覆って前記ケース内に前記第１封止材を充填する工程と、（ｂ）前記第１封止材を充填し露出した前記第１配線部材の前記第２側面に、前記配線を接続する工程と、（ｃ）前記第１配線部材の少なくとも前記第２側面、前記配線を覆って、前記第１封止材上に前記第２封止材をさらに充填する工程とを備えることにより、配線の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えうる構造となり、より安定した接合性が得られ品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる配線部材の断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる配線部材の断面図である。
【図４】実施の形態２にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図５】実施の形態３にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図６】前提技術にかかるパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、本発明の前提技術にかかるパワーモジュールについて、以下に説明する。
【００１３】
図６に示すようにパワーモジュールは、ケース８内にベース板７と、ベース板７上にはんだ６を介してそれぞれ配置された絶縁基板５と、絶縁基板５上にはんだ６を介して配置されたパワー素子１と、パワー素子１の表面電極にアルミワイヤ３を介して接続された端子４と、ケース８内に絶縁基板５、パワー素子１、アルミワイヤ３を覆って充填された封止材２とを備える。
【００１４】
パワーモジュールが動作すると、パワー素子１の抵抗成分に電流が流れ、パワー素子１が発熱し、この熱は絶縁基板５、はんだ６、ベース板７を経由して外部の冷却器（図示せず）へ伝わり熱放散される。
【００１５】
しかしながら、パワー素子１に接合されたアルミワイヤ３の接合部は、パワー素子１の熱が伝わり温度が上昇し、接合の信頼性が低下するという問題があった。また、パワー素子１の熱膨張率（線膨張率）とアルミワイヤ３の熱膨張率（線膨張率）との差により繰り返し熱応力が加わり、界面付近で疲労破壊を起こし破断にいたる場合があるという問題があった。特にＳｉＣデバイスのような高温動作が可能なデバイスであれば、動作温度がさらに高くなり、この接合部の信頼性は顕著に低下する。
【００１６】
以下の実施の形態では、上記のような問題を解決するようなパワーモジュールについて説明する。
【００１７】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールについて図を用いて説明する。図１に示すように本発明にかかるパワーモジュールは、ケース８内にベース板７と、ベース板７上にはんだ６を介してそれぞれ配置された絶縁基板５と、絶縁基板５上にはんだ６を介して配置されたパワー素子１と、パワー素子１の表面電極に接合材１０を介して接合された第１配線部材としての配線部材９と、配線部材９と配線であるアルミワイヤ３を介して接続された端子４と、ケース８内に絶縁基板５、パワー素子１、配線部材９、アルミワイヤ３を覆って充填された封止材２とを備える。パワー素子１としては、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ等を用いることで、より高温動作可能なデバイスを実現できる。
【００１８】
配線部材９は、電気伝導性の良い、例えば銅材、銅合金材からなり、形状は矩形筒状である。一主面（第１側面）は、パワー素子１の表面電極部に、例えばはんだ又は銀や銅などの低温焼結材料の接合材１０で接合されている。対向する主面（第２側面）にアルミワイヤ３が接合されている。配線部材９の材料としては、熱膨張率（線膨張率）がパワー素子１の熱膨張率（線膨張率）より大きな材料が選択される。冷媒を筒内に通した冷媒電極に必要となるような絶縁構造をとる必要はなく、パワー素子１に発生した熱を吸収する効果がある。
【００１９】
アルミワイヤ３は、薄板のアルミリボンや銅ワイヤ、銅リボン配線でもよい。
【００２０】
実施の形態１において、封止材２の熱伝導率を高くすることにより、配線部材９からの放熱性を向上し、アルミワイヤ３の接合部の温度をより下げることが出来る。封止材２の熱伝導率を向上する方法としては、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素などの粉末を封止材２に混入させることが可能である。
【００２１】
図２に、実施の形態１のパワー素子１上に搭載される配線部材９の構造を示す。矩形の配線部材９を構成する金属材料１０２は、良好な電気伝導性を持つ銅、または銅合金で構成され、パワー素子１に接合される側面（第１側面）は、パワー素子１の材料であるＳｉＣの線膨張率（６．６×１０-6／Ｋ）に近い低膨張材１０３を合わせて構成することにより、パワー素子１と配線部材９の間の熱膨張率の差異により生じる接合材１０中の熱応力を軽減させ、接合材１０の疲労寿命を延命することが出来る。
【００２２】
このような低膨張材１０３には、線膨張率が４×１０-6／Ｋ〜１０×１０-6／Ｋ程度の材料が望ましく、例えば厚み比３のインバーの両側に厚み比１の銅を接合したクラッド材（線膨張率：７×１０-6／Ｋ）が適合する。このようなクラッド材においては、インバーと銅の厚み比を調整することにより、所望の熱膨張率（線膨張率）を得ることができる。低膨張材１０３と配線部材９の接合はロウ付け、溶接などが可能である。
【００２３】
図３は、図２に示す配線部材９と類似しているが、配線部材９のパワー素子１と接合される側面（第１側面）は低膨張材１０３のみで構成され、第１側面の端部から矩形筒状を形成するように銅などアルミに近い熱膨張率を持つ金属材料１０４を接合して形成している。このように構成することで、より接合材１０の信頼性をあげることが可能となる。
【００２４】
＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、パワーモジュールにおいて、ケース８内に配置された絶縁基板５と、絶縁基板５上に接合されたパワー素子１と、パワー素子１の表面電極に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第１配線部材としての配線部材９と、配線部材９の第１側面と対向する第２側面に接続された配線としてのアルミワイヤ３と、絶縁基板５、パワー素子１、配線部材９、アルミワイヤ３を覆ってケース８内に充填される封止材２とを備えることで、パワー素子１表面とアルミワイヤ３の接合部との間の距離が大きくなり熱が直接伝わることを抑制でき、その信頼性の劣化を防止することができる。また、パワー素子１の熱膨張率とアルミワイヤ３の熱膨張率との差による熱応力を抑制し、接合の破断可能性を抑えることができる。
【００２５】
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワーモジュールにおいて、第１配線部材としての配線部材９の熱膨張率は、パワー素子１の熱膨張率より大きいことで、パワー素子１の熱膨張率とアルミワイヤ３の熱膨張率との差による熱応力を抑制し、接合の破断可能性を抑えることができる。
【００２６】
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワーモジュールにおいて、第１配線部材としての配線部材９は、第１側面に対応する部材としての低膨張材１０３が、他の側面に対応する部材としての金属材料１０２、金属材料１０４よりも熱膨張率が低い部材であることで、パワー素子１と配線部材９の間の熱膨張率の差異により生じる接合材１０中の応力を軽減させ、接合材１０の疲労寿命を延命することが出来る。
【００２７】
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、パワーモジュールにおいて、パワー素子１が、ワイドバンドギャップ半導体素子であることで、さらに高温動作可能なデバイスとすることが可能となる。
【００２８】
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図４は、実施の形態２にかかるパワーモジュールを示す。図に示すようにパワーモジュールは、実施の形態１に示したパワーモジュールの構成に加えて、絶縁基板５の表面パターン上に第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第２配線部材としての配線部材９１を備え、配線部材９１と端子４とをアルミワイヤ３を介して接続する。
【００２９】
ここで、実施の形態１と同様に、封止材２をケース８内に充填することも可能ではあるが、本実施の形態２においては、アルミワイヤ３が配線部材９、配線部材９１と接合する側面（第２側面）が少なくとも露出するようにエポキシ樹脂などの封止材１００（第１封止材）で充填し硬化させた後、露出している配線部材９、配線部材９１の表面にアルミワイヤ３を接合する。その後、絶縁性を確保するための封止材１０１（第２封止材）が、残りの露出部分に充填される。なお封止材１００をどの高さまで充填するかは、後述の強度の設定等により調節可能である。
【００３０】
この構造を採用することにより、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えうる構造となり、より安定した接合性が得られ品質が向上する。又、封止材１００で配線部材９、配線部材９１を固定することが出来るため、配線部材９、配線部材９１の高さを高く維持でき、よりアルミワイヤ３の接合部の温度を下げることが出来る。
【００３１】
封止材１００、封止材１０１を充填する方法は、絶縁基板５上に配線部材９１が備えられない構造（実施の形態１の構造）の場合でも適用可能である。
【００３２】
＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、パワーモジュールにおいて、封止材２は、第１配線部材としての配線部材９の少なくとも第２側面が露出するように、絶縁基板５、パワー素子１、配線部材９を覆ってケース８内に充填される第１封止材としての封止材１００と、配線部材９の少なくとも第２側面、配線としてのアルミワイヤ３を覆って、封止材１００上にさらに充填される第２封止材としての封止材１０１とを備えることで、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えうる構造となり、より安定した接合性が得られ品質が向上する。又、封止材１００で配線部材９、配線部材９１を固定することが出来るため、配線部材９、配線部材９１の高さを高く維持でき、よりアルミワイヤ３の接合部の温度を下げることが出来る。
【００３３】
また、本発明にかかる実施の形態２によれば、パワーモジュールにおいて、絶縁基板５の表面パターンに第１側面が接合された、矩形筒状の金属である第２配線部材としての配線部材９１をさらに備え、第１封止材としての封止材１００は、少なくとも第２配線部材としての配線部材９１の第１側面と対向する第２側面が露出するように、配線部材９１を覆って充填され、第２封止材としての封止材１０１は、少なくとも配線部材９１の第２側面を覆って充填されることで、パワー素子１とアルミワイヤ３の接合部との距離が大きくなることで放熱効果が高め、接合部の信頼性を高めることができる。また、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えうる構造となり、より安定した接合性が得られ品質が向上する。
【００３４】
また、本発明にかかる実施の形態２によれば、パワーモジュールにおいて、封止材２が、エポキシ樹脂であることで、封止材の熱伝導率を高め、放熱効果を高めることができる。
【００３５】
また、本発明にかかる実施の形態２によれば、パワーモジュールの製造方法において、（ａ）第１配線部材である配線部材９の少なくとも第２側面が露出するように、絶縁基板５、パワー素子１、配線部材９を覆ってケース８内に第１封止材としての封止材１００を充填する工程と、（ｂ）封止材１００を充填し露出した配線部材９の第２側面に、配線であるアルミワイヤ３を接続する工程と、（ｃ）配線部材９の少なくとも第２側面、アルミワイヤ３を覆って、封止材１００上に第２封止材としての封止材１０１をさらに充填する工程とを備えることで、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えうる構造となり、より安定した接合性が得られ品質が向上する。
【００３６】
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図５は、実施の形態３にかかる、複数のパワー素子を並列接続で使用する場合のパワーモジュールを示す。図に示すように本実施の形態３にかかるパワーモジュールは、実施の形態２に示したパワーモジュールの構成に加えて、各パワー素子１に対応して備えられた配線部材同士が、第２側面側で互いに接合された配線部材９０を備えている。
【００３７】
配線部材９０は、複数個のパワー素子１に跨る一体構造である。この構成によって、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えるための強度としては実施の形態２の場合よりもさらに増大し、また、接続部分が形成されるために放熱する表面積も増大するため、さらなる放熱効果が期待できる。
【００３８】
＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、パワーモジュールにおいて、絶縁基板５上にパワー素子１は複数配置され、第１配線部材としての配線部材９０は複数のパワー素子１に対応して備えられ、複数のパワー素子１の各表面電極に対応して各第１側面が接合され、各配線部材９０の各第２側面は、互いに接合されることで、アルミワイヤ３の接合時に印加される加重や超音波の振動に耐えるための強度がさらに増大し、また、接続部分が形成されるために放熱する表面積も増大するため、さらなる放熱効果が期待できる。
【００３９】
本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１  パワー素子、２，１００，１０１  封止材、３  アルミワイヤ、４  端子、５  絶縁基板、６  はんだ、７  ベース板、８  ケース、９，９０，９１  配線部材、１０  接合材、１０２，１０４  金属材料、１０３  低膨張材。
【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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