JP2001135758A - パワーモジュールの放熱構造 - Google Patents

パワーモジュールの放熱構造

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はパワーモジュールの放熱構造に関
し、特に絶縁シートを使用することなく、放熱板を小型
化し、パワーモジュールを小型軽量化し、部品点数や組
立工数を減らすパワーモジュールの放熱構造を提供する
ものである。 【解決手段】 パワートランジスタ等のパワー素子を含
む半導体集積回路を搭載するパワーモジュールにおい
て、半導体集積回路が形成された半導体チップからの発
熱をヒートシンクに伝達する放熱板をセラミックスで構
成し、該セラミックスの上部にＣu （銅）やＭg （マグ
ネシューム）、Ａｌ（アルミニューム）を含浸させた導
電部を形成し、この導電部１３ａにシリコンチップ１１
を半田接合し、セラミックスの下部を直接、又は放熱グ
リス１５を塗布してヒートシンク１４に取り付け、パワ
ーモジュールの放熱構造とし、部品点数の削減、組立工
数の削減を図る構造である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路を
含むパワーモジュールの放熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日、電気自動車を始め、広い分野で半
導体集積回路が使用され、特に大きな電力を必要とする
装置に対して電力用トランジスタを含む半導体集積回路
が使用されている。このような電力用トランジスタを含
むパワーモジュールでは大きな発熱を伴うため、通常ヒ
ートシンクを使用した放熱構造である。
【０００３】図５は従来のパワーモジュールの放熱構造
を説明する図である。同図において、１は半導体集積回
路を内蔵するシリコンチップであり、例えばパワートラ
ンジスタも形成されている。また、このシリコンチップ
１は半田２によってモリブデン板３に接合されている。
また、モリブデン板３は銀ロウ４によって放熱板５に接
合されている。尚、上述のようにシリコンチップ１と放
熱板５の間にモリブデン板３を介装する理由は、通常放
熱板５は銅板で構成され、シリコンチップ１と放熱板５
の熱膨張率に相違があるからである。すなわち、半田に
よって直接シリコンチップ１と放熱板５を接合する場
合、熱膨張率の相違によってシリコンチップ１や放熱板
５にクラック（亀裂）を生じさせるからである。
【０００４】また、上述の放熱板５は更にアルミ等で構
成されるヒートシンク６に取り付けられている。この取
り付けは、図５に示すパワーモジュールが非絶縁性のモ
ジュールであり、シリコンゴムシート等の絶縁シート７
を介装して取り付けられている。尚、放熱板５とヒート
シンク６の取り付けは、不図示のネジによって取り付け
られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のパワーモジュールの放熱構造においては、以下の問
題がある。
【０００６】すなわち、上述のように従来のパワーモジ
ュールの放熱構造においては、モリブデン板３を介装
し、半田接合や銀ろうによる接合を必要とする。このた
め、部品点数が増し、組立工数も増大する。
【０００７】また、上述のように非絶縁性のパワーモジ
ュールである場合、絶縁シート７が必要となり、更に絶
縁シート７の熱伝導率は通常悪いものであり、例えパワ
ーモジュール単体では熱抵抗が低くても、トータルとし
て熱抵抗が高くなる。
【０００８】また、上記絶縁シート７の熱伝導率の悪さ
を、例えば銅（Ｃu ）製の放熱板５によって補うために
は熱容量のアップ、即ち放熱板５のサイズを大きくする
必要がある。しかし、放熱板５のサイズを大きくするこ
とはパワーモジュール自体を大型化し、重量も重くな
る。
【０００９】そこで、本発明は上記課題を解決するた
め、絶縁シートを使用することなく、放熱板を小型化
し、パワーモジュールを小型軽量化し、部品点数や組立
工数を減らしたパワーモジュールの放熱構造を提供する
ものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題は本発明の請求
項１の態様によれば、半導体チップと、セラミックスよ
り成り該セラミックスに金属が含浸された導電部を有
し、該導電部に前記半導体チップが半田接合された放熱
板と、該放熱板のセラミックス部分に取り付けられたヒ
ートシンクとを有するパワーモジュールの放熱構造を提
供することによって達成できる。
【００１１】ここで、半導体チップには、例えばパワー
トランジスタ等のパワー素子が配設され、半導体チップ
から大きな発熱がある。また、放熱板はセラミックスで
構成され、熱伝導効率のよい材料で形成されている。例
えば、請求項３に記載するＳi Ｃ（炭化ケイ素）、又は
ＡｌＮ（窒化アルミニューム）の焼結構造である。
【００１２】また、放熱板は上記のようにセラミックス
で構成され、優れた放熱部材であると共に、絶縁部材で
もある。そこで、上記構成の絶縁部材に対し、例えば金
属溶液を含浸させ、導電部を形成する。そして、この導
電部に上記半導体チップを半田接合し、絶縁部分に放熱
のためのヒートシンクを取り付ける。
【００１３】このように構成することにより、放熱板を
非絶縁のパワーモジュールの電極として接続することが
でき、一方半導体チップの放熱手段としてのヒートシン
クを絶縁部分に接続し、上記放熱板を介して半導体チッ
プの発熱を効率よくヒートシンクに伝達し、効率よい放
熱を行うことができる。
【００１４】請求項２の記載は、前記請求項１記載の発
明において、前記放熱板とヒートシンク間には、例えば
放熱グリスが塗布されている構成である。このように構
成することにより、放熱板とヒートシンク間の放熱性を
向上し、半導体チップの放熱をより効率よく行うことが
できる。
【００１５】請求項３の記載は、前記請求項１記載の発
明において、前記セラミックスは、例えばＳi Ｃ（炭化
ケイ素）又はＡｌＮ（窒化アルミニューム）を焼結した
構成である。
【００１６】また、請求項４の記載は、前記請求項１記
載の発明において、前記導電部にはＣu （銅）、Ｍg
（マグネシューム）、又はＡｌ（アルミニューム）が含
浸されている構成である。
【００１７】上記請求項３、及び請求項４の記載は、本
発明で使用するセラミックスの材料、及び導電部の材料
構成を具体的に示すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のパワー
モジュールの放熱構造を示す図である。同図において、
本例のパワーモジュール１０は、例えば電気自動車やハ
イブリットカー等の電源回路に使用され、多くのシリコ
ンチップや放熱板等で構成されている。尚、同図はパワ
ーモジュール１０の断面構造を示すものであり、シリコ
ンチップは同図の紙面垂直方向に多数個配設されてい
る。
【００１９】同図において、シリコンチップ１１は内部
にパワートランジスタ等の発熱素子を内蔵する。また、
シリコンチップ１１は半田１２によって放熱板１３に接
合されている。放熱板１３はＳi Ｃ（炭化ケイ素）やＡ
ｌＮ（窒化アルミニューム）等の放熱性の優れたセラミ
ックスで構成されている。
【００２０】ここで、放熱板１３は同図に点線で示す断
面位置を境にして、導電部１３ａと絶縁部１３ｂで構成
されている。導電部１３ａは上記材料内に導電性のＣu
（銅）やＭg （マグネシューム）、Ａｌ（アルミニュー
ム）が含浸されている。また、絶縁部１３ｂは上記セラ
ミックス材料のまま残る部分である。
【００２１】また、上記構成の放熱板１３はヒートシン
ク１４に取り付けられ、放熱板１３とヒートシンク１４
間には放熱グリス１５が塗布されている。ここで、放熱
グリス１５は放熱板１３からヒートシンク１４への放熱
効率を向上させるために使用する。すなわち、放熱グリ
ス１５はペースト状であり、放熱板１３（１３ｂ）とヒ
ートシンク１４間に生じる隙間を埋め放熱効率を向上さ
せる。
【００２２】ここで、前述の放熱板１３の構造を更に詳
しく説明する図が図２である。放熱板１３は上述のよう
に、導電部１３ａと絶縁部１３ｂで構成され、絶縁部１
３ｂはＳi Ｃ（炭化ケイ素）やＡｌＮ（窒化アルミニュ
ーム）の材料を焼結したセラミックスのみで構成されて
いる。一方、導電部１３ａは上記セラミックスに導電材
料であるＣu （銅）やＭg （マグネシューム）、Ａｌ
（アルミニューム）を含浸させた構成である。
【００２３】ここで、放熱板１３の厚さは、例えば３ｍ
ｍであり、導電部１３ａの最深部の厚さは２ｍｍ程度で
構成されている。したがって、上述のように構成するこ
とによって放熱板１３の上部は導電性を有し、下部は絶
縁性を有し、導電性を有する導電部１３ａにシリコンチ
ップ１１が半田１２によって接合された構造である。ま
た、絶縁性を有する絶縁部１３ｂには上述の放熱グリス
１５を介してヒートシンク１４が取り付けられている。
【００２４】以上のパワーモジュールの構造において、
シリコンチップ１１に配設された回路を駆動することに
よって、シリコンチップ１１は発熱し、特にパワートラ
ンジスタ等のパワー素子を駆動することによって発生す
る発熱は大きい。そして、この発熱は半田１２を介して
放熱板１３に伝達される。
【００２５】放熱板１３は前述のように放熱性の優れた
セラミックスであり、半田１２を介して伝達されたシリ
コンチップ１１からの熱は、放熱板１３の導電部１３
ａ、絶縁部１３ｂを伝達され、放熱グリス１５を介して
ヒートシンク１４に伝達される。ここで、上述のように
放熱グリス１５により効率良い放熱が行われ、シリコン
チップ１１の発熱を効率良くヒートシンク１４に伝達
し、ヒートシンク１４から外部に放出する。
【００２６】また、本例のパワーモジュールは放熱板１
３にＣu （銅）やＭg （マグネシューム）、Ａｌ（アル
ミニューム）を含浸させて導電部１３ａを形成し、放熱
板１３に直接シリコンチップ１１を半田接合できる構成
である。したがって、従来使用していたモリブデン板を
削除でき、またモリブデン板を放熱板に接合するろう付
け（銀ロウのろう付け）処理等の作業を省略することが
できる。
【００２７】また、絶縁部１３ｂを放熱グリス１５を介
してヒートシンク１４に直接取り付けることができ、従
来使用していた絶縁シートを省略することができる。し
たがって、この点からも放熱効率が良くなり、部品点数
を減らすことができる。ここで、上記放熱グリス１５は
シリコーンオイルを基油にして、金属セッケンなどの増
調剤や各種添加剤を配合した、例えばシリコーングリス
を使用することができる。
【００２８】次に、図３及び図４を用いて本例で使用す
る放熱板１３の製造について説明する。本例において
は、放熱板１３を以下の方法によって製造する。以下、
具体的に説明する。
【００２９】先ず、図３は放熱板１３の製造方法の一例
を示す図であり、前述のＳi Ｃ（炭化ケイ素）やＡｌＮ
（窒化アルミニューム）の材料を焼結したセラミックス
に対し、所定領域にアルミニューム（Ａｌ）の溶湯を含
浸する方法である。すなわち、図３に示すように、金型
１７内に焼結処理が行われたセラミックス１８（１３）
をセットし、金型１７の側面に設けられた注入口１９か
らアルミニューム（Ａｌ）溶湯２０を圧入する。また、
この時セラミックス１８（１３）内の点線２１で示す位
置までアルミニューム（Ａｌ）溶湯を含浸させるため、
温度や圧入時間等を調整する。また、上記条件は形成し
ようとする導電部１３ａの厚さや形状によって異なる。
【００３０】以上のように制御することによって、前述
の図２に示す放熱板１３を製造することができ、また導
電部１３ａの厚さや形状も上記条件を変えることによっ
て自由に設定することができる。
【００３１】また、図３に点線で示す注入口２２を形成
し、この注入口２２から予め樹脂等の絶縁材料を注入す
ることにより、上記アルミニューム（Ａｌ）溶湯の注入
範囲を設定しておく構成としてもよい。
【００３２】また、上記金型１７の注入口１９は１個に
限らず複数設け、アルミニューム（Ａｌ）溶湯を複数の
箇所から注入する構成としてもよい。次に、図４は他の
放熱板１３の製造方法の一例を示す図であり、前述のＳ
i Ｃ（炭化ケイ素）やＡｌＮ（窒化アルミニューム）の
材料を焼結したセラミックスをアルミニューム（Ａｌ）
溶湯中に置くことによってセラミックス内にアルミニュ
ーム（Ａｌ）を浸透させる方法である。
【００３３】すなわち、アルミニューム（Ａｌ）溶湯２
３を入れた容器２４内に焼結処理が行われたセラミック
ス２５（１３）を置き、セラミックス２５（１３）内に
アルミニューム（Ａｌ）を浸透させる方法である。この
方法によれば、アルミニューム（Ａｌ）溶湯２３の量を
調整することによって、アルミニューム（Ａｌ）溶湯２
３に接触するセラミックス２５（１３）の表面からアル
ミニューム（Ａｌ）溶湯が浸透し、必要な形状に導電部
１３ａを形成することができる。
【００３４】尚、この場合にも温度等の条件を調整し、
所望の形状の導電部１３ａを作成することができる。
尚、本実施形態の説明においては、Ｓi Ｃ（炭化ケイ
素）やＡｌＮ（窒化アルミニューム）の材料を焼結した
セラミックスの例で説明したが、上記材料に限定される
ことなく、例えばＡｌＯ （アルミナ）等、絶縁性があ
り、放熱性のある材料であれば適用することができる。
【００３５】また、セラミックスに含浸させる材料も、
上記Ａｌ（アルミニューム）や、Ｃu （銅）、Ｍg （マ
グネシューム）に限らず、導電性を有する材料であれば
適用できる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によればモ
リブデン板等の部品点数を減らすことができ、また組立
工数も減らすことができる。
【００３７】また、本発明によれば放熱量を増やすた
め、放熱板を大きく形成する必要がなく、パワーモジュ
ールを小型軽量化することができる。さらに、本発明は
放熱効率のよいセラミックスを放熱板に使用するので、
極めて効率のよいシリコンチップの放熱構造とすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のパワーモジュールの放熱構造を示
す図である。
【図２】放熱板の構造を更に詳しく説明する図である。
【図３】本例の放熱板の製造例を説明する図である。
【図４】本例の放熱板の他の製造例を説明する図であ
る。
【図５】従来のパワーモジュールの放熱構造を示す図で
ある。
【符号の説明】
１０ パワーモジュール １１ シリコンチップ １２ 半田 １３ 放熱板 １３ａ 導電部 １３ｂ 絶縁部 １４ ヒートシンク １５ 放熱グリス １７ 金型 １８ セラミックス １９、２２ 注入口 ２０、２３ アルミニューム（Ａｌ）溶湯 ２１ 点線 ２４ 容器 ２５ セラミックス

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体チップと、 セラミックスより成り、該セラミックスに金属が含浸さ
    れた導電部を有し、該導電部に前記半導体チップが半田
    接合された放熱板と、 該放熱板のセラミックス部分に取り付けられたヒートシ
    ンクと、 を有することを特徴とするパワーモジュールの放熱構
    造。
  2. 【請求項２】 前記放熱板とヒートシンク間には放熱グ
    リスが塗布されていることを特徴とする請求項１記載の
    パワーモジュールの放熱構造。
  3. 【請求項３】 前記セラミックスはＳi Ｃ（炭化ケイ
    素）、又はＡｌＮ（窒化アルミニューム）を焼結した構
    成であることを特徴とする請求項１、又２記載のパワー
    モジュールの放熱構造。
  4. 【請求項４】 前記導電部にはＣu （銅）、Ｍg （マグ
    ネシューム）、又はＡｌ（アルミニューム）が含浸され
    ていることを特徴とする請求項１、２、又は３記載のパ
    ワーモジュールの放熱構造。
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