特開 2022-7343 パワーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022007343

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】パワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20220105BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20220105BHJP

   H01L 23/29 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L21/60 301A

H01L23/30 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020110259

(22)【出願日】2020-06-26

(71)【出願人】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 幸博

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 政光

(72)【発明者】

【氏名】串間 宇幸

【テーマコード（参考）】

4M109

5F044

【Ｆターム（参考）】

4M109AA01

4M109BA03

4M109ED02

4M109ED03

4M109ED04

5F044AA02

(57)【要約】

【課題】
ゲル封止型のパワーモジュールにおいて、振動を伴う使用環境下であっても、モジュール内部のボンディングワイヤの断線を抑制可能な信頼性の高いパワーモジュールを提供する。
【解決手段】
ヒートシンクを有するベースプレートと、前記ベースプレート上に配置された基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体チップと、前記基板に接続されたボンディングワイヤと、前記ベースプレートに接続されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを内包するケースと、前記ケース内に充填されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを封止するゲルと、を備え、前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記ボンディングワイヤの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とする。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒートシンクを有するベースプレートと、
前記ベースプレート上に配置された基板と、
前記基板上に配置されたパワー半導体チップと、
前記基板に接続されたボンディングワイヤと、
前記ベースプレートに接続されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを内包するケースと、
前記ケース内に充填されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを封止するゲルと、を備え、
前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記ボンディングワイヤの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項2】

請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ケースに配置された電極端子を備え、
前記ボンディングワイヤは、前記基板の金属回路層と前記電極端子を電気的に接続し、
前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記金属回路層と前記ボンディングワイヤとの接続部および前記電極端子と前記ボンディングワイヤとの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項3】

請求項１または２に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ケースの前記ボンディングワイヤの接続部近傍が前記ベースプレートにネジで固定されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項4】

請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ネジは、前記ベースプレートを貫通していないことを特徴とするパワーモジュール。

【請求項5】

請求項１または２に記載のパワーモジュールにおいて、
前記樹脂は、前記ゲルよりもヤング率が高い樹脂であることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項6】

請求項５に記載のパワーモジュールにおいて、
前記樹脂は、ポリアミドイミド樹脂およびエポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項7】

ヒートシンクを有するベースプレートと、
前記ベースプレート上に配置された基板と、
前記基板上に配置されたパワー半導体チップと、
前記基板に接続されたボンディングワイヤと、
前記ベースプレートに接続されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを内包するケースと、
前記ケース内に充填されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを封止するゲルと、を備え、
前記ケースの前記ボンディングワイヤの接続部近傍が前記ベースプレートにネジで固定されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項8】

請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールを平面視した際の前記パワーモジュールの短辺方向の中央部近傍における前記ケースが前記ベースプレートにネジで固定されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項9】

請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ボンディングワイヤおよびその接続部が前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項10】

請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記基板と前記ボンディングワイヤとの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項11】

請求項９に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ケースと前記ベースプレートの接触部が前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項12】

請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ケースに配置された電極端子を備え、
前記ボンディングワイヤは、前記基板の金属回路層と前記電極端子を電気的に接続し、
前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記金属回路層と前記ボンディングワイヤとの接続部および前記電極端子と前記ボンディングワイヤとの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項13】

請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
前記ネジは、前記ベースプレートを貫通していないことを特徴とするパワーモジュール。

【請求項14】

請求項９から１２のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記樹脂は、前記ゲルよりもヤング率が高い樹脂であることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項15】

請求項１４に記載のパワーモジュールにおいて、
前記樹脂は、ポリアミドイミド樹脂およびエポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とするパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワーモジュールの構造に係り、特に、鉄道車両や自動車等の振動を伴う環境下で使用されるパワーモジュールに適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば自動車分野においては、高い環境性能や運転性能を実現するための制御の高度化に対応するために、モータやソレノイド等のアクチュエータにＥＣＵ（Electronic Control Unit）を実装する「機電一体化」技術が求められている。

【0003】

しかし、高度に電子化された自動車の制御システムでは、ＥＣＵの信頼性が自動車全体の信頼性に及ぼす影響が重大であり、機電一体化を実現するためには、アクチュエータの発熱に耐える高耐熱化に加えて、走行時に発生する車体の振動やエンジンの低周波数振動に耐える高耐振化が必要になる。

【0004】

また、家電分野においても、例えばエアコンの小型化・高性能化に伴い、電子制御部品と機械部品を組み合わせた機電一体型のモータが採用されるようになり、モータ駆動に伴う振動に対する電子制御部品の耐振性向上が求められている。

【0005】

ＥＣＵや機電一体型モータには、マイコンやメモリ等の半導体素子と共に、パワー半導体素子を含む複数のＩＣ（Integrated Circuit）を組み合わせて電源制御用の回路を集積したパワーモジュールが搭載されており、パワーモジュールの耐振性向上が重要な課題となっている。

【0006】

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「リードフレームの上面に半導体チップと回路部品を実装した回路基板を並置搭載し、かつその相互間をワイヤ接続した上で周域をモールド樹脂で封止した樹脂封止型半導体装置であり、前記半導体チップはフレームに半田マウントした上で、該半導体チップに保護樹脂をコーティングし、回路基板は樹脂接着剤を用いてフレームに接合した構成になるものにおいて、前記リードフレームの上面における半導体チップの搭載領域と絶縁基板の搭載領域との境界に、半導体チップおよびその周域にコーティングした保護樹脂が回路基板の搭載領域に流動拡散するのを阻止するダム部を設けた樹脂封止型半導体装置」が開示されている。

【0007】

また、特許文献２には「基板と、この基板上に固着された半導体チップと、この半導体チップ表面にワイヤボンディングで接続されたワイヤと、このワイヤボンディング部を薄く覆う１５×１０－６／℃以下の線膨張係数を持つ被覆樹脂と、これら部品を収容するケースと、このケース内部の前記被覆樹脂の上からケース内部品全体を覆うように充填された充填樹脂を備えた半導体パワーモジュールにおいて、前記被覆樹脂は、前記半導体チップの上面の少なくとも端部を残して前記ワイヤボンディング部を覆うように形成し、前記充填樹脂は、（１７～２４）×１０－６／℃の線膨張係数を持つ樹脂とした半導体パワーモジュール」が開示されている。

【0008】

また、特許文献３には「基板と、前記基板とは非接合とされた半導体チップと、一端が前記半導体チップに接続され、他端が前記基板に接続されたワイヤと、前記ワイヤが前記半導体チップに接続する第１のワイヤ接続部を被覆する第１の被覆部材と、を含む半導体装置」が開示されている。

【0009】

また、特許文献４には「第１のパッド電極を有する配線基板と、半導体素子が搭載され、前記半導体素子に接続された第２のパッド電極を有するサブマウント基板と、前記第１のパッド電極と前記第２のパッド電極との間に接続されたボンディングワイヤと、前記ボンディングワイヤを鞘状に被覆する被覆樹脂と、を有する半導体装置」が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００５－９３６３５号公報

【特許文献2】特開２００５－３１１０１９号公報

【特許文献3】特開２０１７－１０９９４号公報

【特許文献4】特開２０１９－９１７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上述したように、様々な分野において機電一体化が進んでおり、パワーモジュールに対する耐振性向上の要求が高まっている。

【0012】

代表的なパワーモジュールとして、パワー半導体素子とセンス端子や制御端子等の電極端子をボンディングワイヤで接続し、それらをシリコーンゲルで封止したゲル封止型のパワーモジュールが広く普及しているが、このゲル封止型のパワーモジュールを車載ＥＣＵや機電一体型モータに採用した場合、振動によりパワー半導体素子と電極端子を接続するボンディングワイヤが断線し、パワーモジュールの故障に繋がる可能性がある。

【0013】

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２には、上記のゲル封止型のパワーモジュールでの振動によるボンディングワイヤの断線の課題やそれを解決するための方法は開示されていない。

【0014】

また、上記特許文献３は、半導体チップの周囲を中空とした中空構造の半導体装置を対象としており、軽微で一時的な衝撃や振動には有効であるが、車載ＥＣＵや機電一体型モータのように振動による応力が恒常的に発生するような場合には耐久性が問題となる。

【0015】

また、上記特許文献４では、ボンディングワイヤ全体を鞘状に被覆する必要があり、製造方法や製造コストの面で課題が残る。

【0016】

そこで、本発明の目的は、ゲル封止型のパワーモジュールにおいて、振動を伴う使用環境下であっても、モジュール内部のボンディングワイヤの断線を抑制可能な信頼性の高いパワーモジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために、本発明は、ヒートシンクを有するベースプレートと、前記ベースプレート上に配置された基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体チップと、前記基板に接続されたボンディングワイヤと、前記ベースプレートに接続されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを内包するケースと、前記ケース内に充填されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを封止するゲルと、を備え、前記基板と前記ケースとの間に接続された前記ボンディングワイヤのうち、前記ボンディングワイヤの接続部のみ前記ゲルよりも硬度が高い樹脂で被覆されていることを特徴とする。

【0018】

また、本発明は、ヒートシンクを有するベースプレートと、前記ベースプレート上に配置された基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体チップと、前記基板に接続されたボンディングワイヤと、前記ベースプレートに接続されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを内包するケースと、前記ケース内に充填されて、前記基板と前記パワー半導体チップと前記ボンディングワイヤを封止するゲルと、を備え、前記ケースの前記ボンディングワイヤの接続部近傍が前記ベースプレートにネジで固定されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、ゲル封止型のパワーモジュールにおいて、振動を伴う使用環境下であっても、モジュール内部のボンディングワイヤの断線を抑制可能な信頼性の高いパワーモジュールを実現することができる。

【0020】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施例１に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図（上面図）である。

【図2】図１のＢ－Ｂ’方向矢視図（側面図）である。

【図3】図１のＣ－Ｃ’方向矢視図（側面図）である。

【図4】図１の裏面側から見た図（底面図）である。

【図5】図１のＡ－Ａ’方向矢視図（断面図）である。

【図6】本発明の実施例２に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図（上面図）である。

【図7】図５の変形例を示す図である。（変形例１）

【図8】図５の変形例を示す図である。（変形例２）

【図9】従来のパワーモジュールの一部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【実施例0023】

図１から図５、及び図９を参照して、本発明の実施例１に係るゲル封止型のパワーモジュールについて説明する。図１は、本実施例のパワーモジュール１の概略構成を示す平面図（上面図）である。図２は、図１のＢ－Ｂ’方向矢視図（側面図）であり、図３は、図１のＣ－Ｃ’方向矢視図（側面図）である。図４は、図１の裏面側から見た図（底面図）である。また、図５は、図１のＡ－Ａ’方向矢視図（断面図）である。なお、図９は、本発明の構成が分かり易くなるように、比較のために示す従来のパワーモジュールの一部断面図であり、本実施例の図５に対応している。

【0024】

本実施例のパワーモジュール１は、図１に示すように、パワー半導体素子や回路基板を内包する樹脂製のケース２を備えている。ケース２は、パワーモジュール１の保護カバーの役割を果たしている。パワーモジュール１の上面には、入出力端子である主端子５が複数設けられている。

【0025】

図２及び図３に示すように、パワーモジュール１の底部には、ヒートシンク（冷却フィン）４を有する金属製のベースプレート３を備えており、ヒートシンク（冷却フィン）４を図示しない冷却水流路に配置することで、パワーモジュール１内部のパワー半導体素子からの発熱を放熱する。

【0026】

なお、本実施例では、パワーモジュール１に内蔵されるパワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を前提に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ダイオードやパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等にも適用可能である。

【0027】

パワーモジュール１には、センス端子や制御端子、補助端子等の電極端子６が、上面から突出するように設けられている。

【0028】

図４に示すように、ベースプレート３は、後述する接着剤及びネジ７によりケース２に接続固定されている。

【0029】

図５を用いて、本実施例のパワーモジュール１の内部構造を詳しく説明する。

【0030】

本実施例のパワーモジュール１は、図５に示すように、ヒートシンク（冷却フィン）４を有する金属製のベースプレート３と、ベースプレート３上に配置された基板１２と、基板１２上に配置されたパワー半導体チップ１４と、基板１２に接続されたボンディングワイヤ１５と、ベースプレート３に接続されて、基板１２とパワー半導体チップ１４とボンディングワイヤ１５を内包する樹脂製のケース２と、ケース２内に充填されて、基板１２とパワー半導体チップ１４とボンディングワイヤ１５を封止する封止材１６を備えている。封止材１６には、例えば、シリコーンゲルが用いられる。

【0031】

上述したように、ベースプレート３は、接着剤８及びネジ７（図４参照）によりケース２に接続固定されている。

【0032】

基板１２は、絶縁層９と、絶縁層９の上面（表面）に設けられた金属回路層１０と、絶縁層９の下面（裏面）に設けられた金属層１１で構成されている。

【0033】

そして、基板１２は、はんだ１３により金属層１１とベースプレート３を接合することで、ベースプレート３上に配置されている。

【0034】

また、はんだ１３により金属回路層１０とパワー半導体チップ１４を接合することで、基板１２上にパワー半導体チップ１４が配置されている。

【0035】

ケース２には、センス端子や制御端子、補助端子等の電極端子６が配置されており、ボンディングワイヤ１５は、基板１２の金属回路層１０と電極端子６を電気的に接続している。

【0036】

ここで、図５に示すように、本実施例のパワーモジュール１では、基板１２とケース２との間に接続されたボンディングワイヤ１５のうち、基板１２の金属回路層１０とボンディングワイヤ１５との接続部及び電極端子６とボンディングワイヤ１５との接続部のみを封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆している。

【0037】

図９に示す従来のパワーモジュールでは、接続部を含むボンディングワイヤ１５全体が、基板１２やパワー半導体チップ１４と同じように封止材（シリコーンゲル）１６で被覆されている。車載ＥＣＵや機電一体型モータのように振動による応力が恒常的に発生するような場合、特にケース２と基板１２とが別々に振動するため、ケース２と基板１２との間を接続するボンディングワイヤ１５は、封止材（シリコーンゲル）１６の被覆のみでは、ボンディングワイヤ１５の接続部の保護が不十分なため、ボンディングワイヤ１５、特に、ボンディングワイヤ１５の接続部が断線し、パワーモジュールの故障に繋がる恐れがある。

【0038】

そこで、基板１２とケース２との間に接続されたボンディングワイヤ１５のうち、基板１２の金属回路層１０とボンディングワイヤ１５との接続部及び電極端子６とボンディングワイヤ１５との接続部のみを封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆することで、ボンディングワイヤ１５の接続部の断線を防止することができる。

【0039】

なお、パワーモジュールの構造設計や使用環境により、ボンディングワイヤ１５の接続部の断線が起こり難い箇所がある場合が考えられる。その場合は、基板１２とケース２との間に接続されたボンディングワイヤ１５のうち、基板１２の金属回路層１０とボンディングワイヤ１５との接続部及び電極端子６とボンディングワイヤ１５との接続部のいずれか一方のみを封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆することも可能である。

【0040】

ボンディングワイヤ１５の全体ではなく、必要な箇所のみを封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆することで、生産性やコスト面でのデメリットを抑制しつつ、振動を伴う使用環境下であっても、モジュール内部のボンディングワイヤ１５の断線を抑制することができる。

【0041】

なお、硬質樹脂１７には、封止材（シリコーンゲル）１６よりもヤング率が高い樹脂を用いるのが望ましい。具体的には、ポリアミドイミド樹脂やエポキシ樹脂等を用いることができる。

【実施例0042】

図６から図８を参照して、本発明の実施例２に係るゲル封止型のパワーモジュールについて説明する。図６は、本実施例のパワーモジュール１の概略構成を示す平面図（上面図）である。図７及び図８は、図６のパワーモジュール１の一部を示す断面図であり、それぞれ実施例１の図５の変形例に相当する。

【0043】

本実施例のパワーモジュール１は、図６に示すように、図４で説明したネジ７とは異なる別のネジ１８により、ケース２のボンディングワイヤ１５の接続部近傍をベースプレート３に固定している。

【0044】

ケース２のボンディングワイヤ１５の接続部近傍をベースプレート３にネジ１８で固定することにより、ケース２の振動が抑制されて、ボンディングワイヤ１５の接続部の断線を防止することができる。特に、図６のように、パワーモジュール１を平面視（上面視）した際のパワーモジュール１の短辺方向の中央部近傍におけるケース２をベースプレート３にネジ１８により固定することで、ケース２の振動をより効果的に抑制することができる。

【0045】

なお、本実施例では、ネジ１８による固定により、ボンディングワイヤ１５の接続部を補強できるため、実施例１のように金属回路層１０とボンディングワイヤ１５との接続部や電極端子６とボンディングワイヤ１５との接続部を封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆することなく、ボンディングワイヤ１５の接続部の断線を防止することができる。つまり、図９に示すような従来のパワーモジュール構造を採用することも可能である。

【0046】

また、パワーモジュールの構造設計や使用環境に応じて、図７に示すように、ボンディングワイヤ１５及びその接続部全体を封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆したパワーモジュール構造を採用してもよく、図８に示すように、さらにケース２とベースプレート３の接触部を封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆したパワーモジュール構造を採用してもよい。

【0047】

また、実施例１のように、基板１２とケース２との間に接続されたボンディングワイヤ１５のうち、基板１２の金属回路層１０とボンディングワイヤ１５との接続部及び電極端子６とボンディングワイヤ１５との接続部のみを封止材（シリコーンゲル）１６よりも硬度が高い樹脂（硬質樹脂１７）で被覆したうえで、さらに、本実施例のように、ケース２のボンディングワイヤ１５の接続部近傍をベースプレート３にネジ１８で固定してもよい。

【0048】

ネジ１８による固定との組み合わせにより、ボンディングワイヤ１５の接続部の断線をより確実に防止することができる。

【0049】

なお、ネジ１８は、ネジ７とは異なり、ベースプレート３を貫通しないように設ける必要がある。上述したように、ベースプレート３のヒートシンク（冷却フィン）４は冷却水流路に配置されるため、ネジ１８がベースプレート３を貫通した場合、水漏れの原因となるためである。

【0050】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。