CN113410191A - 功率半导体模块的安装构造 - Google Patents

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CN113410191A CN202110250774.XA CN202110250774A CN113410191A CN 113410191 A CN113410191 A CN 113410191A CN 202110250774 A CN202110250774 A CN 202110250774A CN 113410191 A CN113410191 A CN 113410191A
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Abstract

功率半导体元件(20)、使从功率半导体元件(20)产生的热量扩散的热扩散构件(30)、在确保电绝缘性的同时传递热量的绝缘散热构件(40)、以及冷却器(50)依次接合，热扩散构件(30)由包括具有各向异性热传导特性的石墨层(31)和铜层(32)的多个层构成，石墨层(31)配置为热传导率最低的方向与层的厚度方向正交，铜层(32)配置于比石墨层(31)更靠近冷却器(50)一侧，并且铜层(32)的厚度设定为石墨层(31)的厚度的四倍以上。

Description

功率半导体模块的安装构造
技术领域
本申请涉及功率半导体模块的安装构造。
背景技术
电动汽车、混合动力汽车等电动化车辆一般搭载有驱动电动机和用于控制驱动电动机的逆变器装置。逆变器装置具备逆变器电路，该逆变器电路由搭载有功率半导体元件的功率半导体模块构成，通过开关动作将直流电力和交流电力相互转换，进行电动机的动力运行动作和再生动作。
功率半导体元件因大电流的导通或开关动作而产生发热。由于如果散热不充分则会使得功率半导体元件及其周边的构造构件变为高温，导致性能下降或故障，因此功率半导体模块需要将这些热量迅速传递到冷却器并进行散热。
此外，近年来，作为使用硅(Si)半导体的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)的替代元件，使用特性优异的宽带隙半导体即碳化硅(SiC)半导体的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)开始被采用。碳化硅(SiC)与硅(Si)相比，虽然以较小面积的半导体芯片来处理大功率，但另一方面，每单位面积的发热量会增大，要求更高的散热性能。
以往，使用铜或铜合金来作为功率半导体模块的热扩散构件，但是为了进一步提高散热性，提出了使用具有热传导率在各个方向上不同的所谓的各向异性热传导特性的石墨来作为热扩散构件的构造(例如，参见下述专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011－23670号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在将具有各向异性热传导特性的石墨单独使用作为热扩散构件的情况下，与以往的铜或铜合金相比，这种石墨的每单位体积的价格昂贵，从成本效益的角度来看，导入这种石墨是一个问题。
本申请公开了用于解决上述问题的技术，其目的在于提供一种低成本且散热性能优异的功率半导体模块的安装构造。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请所公开的功率半导体模块的安装构造是下述功率半导体模块的安装构造，即：
功率半导体元件、使从所述功率半导体元件产生的热量扩散的热扩散构件、在确保电绝缘性的同时传递热量的绝缘散热构件、以及冷却器依次接合而成的功率半导体模块的安装构造，
所述热扩散构件由包括具有各向异性热传导特性的石墨层和铜层的多个层构成，所述石墨层配置为热传导率最低的方向与所述层的厚度方向正交，所述铜层配置于比所述石墨层更靠近所述冷却器一侧，并且所述铜层的厚度是所述石墨层的厚度的四倍以上。
发明效果
根据本申请所公开的功率半导体模块的安装构造，能够获得低成本且散热性能优异的功率半导体模块的安装构造。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的功率半导体模块的俯视图。
图2是沿图1的A-A线的剖视图。
图3是表示功率半导体模块的热传递特性的热分析结果的图表。
图4是表示从成本角度考量功率半导体模块的铜层的厚度tc与石墨层的厚度t之比(tc/t)时的关系的图表。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示实施方式1所涉及的功率半导体模块的俯视图，图2是沿图1的A-A线的剖视图。
该实施方式1的功率半导体模块10中，一个功率半导体元件20(例如，作为宽带隙半导体的碳化硅(SiC)半导体)接合到热扩散构件30的上表面。对于该接合，在本实施方式中使用以银为主要成分的烧结材料(未图示)，但也可以使用其它的接合方法。另外，关于热扩散构件30的结构，将在后文中叙述。此外，绝缘散热构件40接合到热扩散构件30的下表面，并且冷却器50接合到该绝缘散热构件40的下表面。
由于绝缘散热构件40需要在保持电绝缘性的同时具有一定程度的热传导率，因此例如使用硅片或陶瓷片。此外，冷却器50例如是铝制的冷却器，设置有散热用的翅片50A。
另外，功率半导体元件20、热扩散构件30和绝缘散热构件40由具有绝缘性的模具60密封，但是在图1中为了便于说明，简单地透过模具60来进行图示。
如图2所示，上述的热扩散构件30通过将由热分解石墨构成的石墨层31和由铜的板材构成的铜层32层叠而构成，并且石墨层31由上层31A和下层31B这两层构成。
构成石墨层31的热分解石墨形成为层叠多个以碳原子绘制六边形的网格的方式结合为片状的石墨烯而得到的构造，并且具有各向异性热传导特性，使得在平行于石墨烯的表面的方向上表现出高热传导率(例如，1700[W/mK]左右)，在垂直于石墨烯的表面的方向上表现出相比而言较低的热传导率(例如，7[W/mK]左右)。
此处，在图1和图2中，若将上层31A和下层31B的厚度方向设为Z方向，将与该Z方向正交的平面的两个方向设为X方向和Y方向，则上层31A中的石墨烯的表面被配置为与X-Z平面相平行。因此，对于上层31A，X-Z平面上的热传导率表现出比与之正交的Y方向上的热传导率要大的值。此外，下层31B中的石墨烯的表面被配置为与Y-Z平面相平行。因此，对于下层31B的石墨烯的表面，Y-Z平面上的热传导率表现出比与之正交的X方向上的热传导率要大的值。
因此，若关注X-Y平面，则对于上层31A，热量容易在X方向上扩散，对于下层31B，热量容易在Y方向上扩散，因此，若从石墨层31整体来看，热量朝向X-Y平面的所有方向扩散。此外，由于上层31A和下层31B在Z方向上的热传导率均较高，因此可以发挥优异的散热性能。
由热扩散构件30扩散的热量经由绝缘散热构件40散热到冷却器50，同时保持绝缘。在这种情况下，由于绝缘散热构件40的热传导率低于散热路径中的其它构件的热传导率，因此在热量通过绝缘散热构件40之前，热量通过热扩散构件30尽可能地向X-Y平面的所有方向扩散，从而能够以较大面积通过绝缘散热构件40。并且，通过热扩散构件30并传递至冷却器50的热量经由翅片50A散热。
另外，此处设为下述结构，即：关于构成石墨层31的上层31A，在X-Z平面上的热传导率表现出比与之正交的Y方向上的热传导率要大的值，此外，关于下层31B，在Y-Z平面的热传导率表现出比与之正交的X方向的热传导率要大的值，但并不限于此，上层31A和下层31B的各向异性热传导特性可以是上下相反的情况。此外，此处设为石墨层31由上层31A和下层31B这两层构成，但并不限于此，也可以由三层以上来构成。在这种情况下，优选将彼此相邻的上下石墨层配置成使得热传导率最低的方向彼此相互正交，以使热量在X方向和Y方向上以较大面积扩散。
图3是表示在该实施方式1中的功率半导体模块10的安装构造中进行稳态导热分析的结果的图。如图1、图2所示，当将石墨层31的厚度设为t，将铜层32的厚度设为tc，将功率半导体元件20的一边的长度设为a时，图3的横轴是以功率半导体元件20的一边的长度a对铜层32的厚度tc进行标准化后得到的数值。此外，图3的纵轴示出，对于从功率半导体元件20到冷却器50的翅片50A的根部位置为止的热阻值Rjw，将t＝0、tc＝0.25a的条件下的值设为“1”从而对其进行标准化后得到的值。
此外，在该热分析中，当将从功率半导体元件20的外周的一边到热扩散构件30的外周的一边为止的距离设为b时(参见图1)，设b＝0.5a，并且将石墨层31的上层31A和下层31B的厚度均设为0.5t。此外，绝缘散热构件40的等效热传导系数为50000[W/m2K]。设为省略冷却器50的翅片50A，并且对成为翅片50A的根部位置的表面赋予热传导系数30000[W/m2K]。
如图3所示，当石墨层31的厚度t足够厚时(例如，t＝0.1a～0.2a)，即使铜层32的厚度tc改变，热阻值Rjw的变化也相对较小。因此，追加铜层32的效果较小，或者具有使热阻恶化的趋势。
另一方面，当石墨层31较薄时(例如，t＝0.02a～0.05a)，若改变铜层32的厚度tc，则伴随其的热阻值Rjw的变化相对较大。因此，即使石墨层31的厚度t较薄，也可以通过调整铜层32的厚度tc来降低热阻值Rjw，从而提高散热性能。因此，通过仅使用少量的石墨层31并通过铜层32来补足热扩散效果，可以抑制成本的增加，并提高散热性能。
另外，在石墨层31的厚度t不同的各个图表中，作为热阻值Rjw降低并饱和的下限的位置根据从功率半导体元件20的一边到热扩散构件30的一边为止的距离b而变化，但是考虑到石墨层31的成本和热阻值Rjw减小所得到的效果，希望铜层32的厚度tc比石墨层31的厚度t的四倍要大。例如，当石墨层31的厚度t为t＝0.05a时，铜层32的厚度tc优选为tc≥0.2a(＝0.05a×4)。若如此，则即使不无谓地加厚石墨层31的厚度t，也可以通过调整铜层32的厚度tc来降低热阻值Rjw，从而提高散热效果。
图4是表示从制作上的成本角度考量铜层32的厚度tc与石墨层31的厚度t之比(tc/t)时的关系的图表。此处，图4的横轴示出了铜层32的厚度tc与石墨层31的厚度t之比(tc/t)，图4的纵轴示出了考虑到由于热阻的减小而导致的芯片尺寸的变动的成本。此外，图4中的横向水平的虚线CB示出了成本优势是否成立的边界线，若位于该边界线的下侧，则产生成本优势。
根据该图表可以理解，若厚度之比(tc/t)在约3以上，则产生优势，可靠地产生优势的情况为4以上，即理解成铜层32的厚度tc比石墨层31的厚度t的4倍要大。
如上所述，根据本实施方式1中的功率半导体模块10的安装构造，由于热扩散构件30由包含具有各向异性热传导特性的石墨层31和铜层32的多个层构成，因此与单独使用石墨的情况相比，可以减少石墨的使用量，并且可以有效地扩散从功率半导体元件20产生的热量并通过冷却器50散热，从而能够获得低成本且散热性能优异的功率半导体模块10的安装构造。
另外，在以上的说明中，作为功率半导体元件20，列举了作为宽带隙半导体的碳化硅(SiC)半导体作为示例，但是也可以使用其它宽带隙半导体，例如氮化镓(GaN)半导体。
此外，在以上的说明中，列举了在热扩散构件30上仅安装一个功率半导体元件20的结构来作为示例，但是即使是安装多个功率半导体元件的结构，本申请的效果也是有效的。
本申请记载了例示性的实施方式，但实施方式所记载的各种特征、形态及功能并不限于特定的实施方式的适用，能单独或以各种组合适用于实施方式。
因此，在本申请所公开的技术范围内可以设想无数未举例示出的变形例。例如，设为包含有对至少一个结构要素进行变形的情况、追加的情况或省略的情况。
标号说明
10功率半导体模块，20功率半导体元件，30热扩散构件，
31石墨层，31A上层，31B下层，32铜层，
40绝缘散热构件，50冷却器，60模具。

Claims (4)

1.一种功率半导体模块的安装构造，是功率半导体元件、使从所述功率半导体元件产生的热量扩散的热扩散构件、在确保电绝缘性的同时传递热量的绝缘散热构件、以及冷却器依次接合而成的功率半导体模块的安装构造，所述功率半导体模块的安装构造的特征在于，
所述热扩散构件由包括具有各向异性热传导特性的石墨层和铜层的多个层构成，所述石墨层配置为热传导率最低的方向与所述层的厚度方向正交，所述铜层配置于比所述石墨层更靠近所述冷却器一侧，并且所述铜层的厚度是所述石墨层的厚度的四倍以上。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块的安装构造，其特征在于，
所述石墨层由第一层和第二层这两层构成，并且配置为所述第一层的热传导率最低的方向与所述第二层的热传导率最低的方向相互正交。
3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块的安装构造，其特征在于，
所述功率半导体元件和所述热扩散构件由绝缘性的模具一体密封成型。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率半导体模块的安装构造，其特征在于，
所述功率半导体元件是碳化硅半导体。
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