JP2001358244A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁基板として樹脂絶縁層を用いた場合で
も、充分に高い放熱特性を保つことができ、製品容量を
大きくしても熱歪みによる応力の発生が充分に抑えられ
るようにしたパワー半導体モジュールを提供すること。 【解決手段】 パワー半導体素子１０４を搭載した導電
層１０３ａ、１０３ｂと放熱板１０１の間の絶縁基板と
して樹脂絶縁層１０２を用いたパワー半導体モジュール
において、導電層１０３ａ、１０３ｂと放熱板１０１を
共にアルミニウム若しくはアルミニウム合金製にし、且
つ導電層１０３ａ、１０３ｂの板厚を少なくとも１.０
ｍｍにしたもの。 【効果】 絶縁樹脂層を用いても充分な放熱性が得ら
れ、熱歪みが小さくできるので、低コストで容易に中容
量から大容量のパワーモジュールを得ることがでる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内部絶縁型の半導
体モジュールに係り、特に電力変換用スイッチング素子
に好適なパワー半導体モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング素子を内蔵したパワー半導
体モジュールや、これに制御回路を内蔵したＩＰＭ(Int
eligent Power Module)は、ＩＧＢＴなどパワースイッ
チング素子の大容量化と家電品のインバータ化に伴って
用途が広がり、この結果、小容量から大容量にわたる幅
広い領域での製品対応と、各容量域での低価格化が強く
要求されるようになっている。

【０００３】ところで、このようなパワー半導体モジュ
ールやＩＰＭでは、搭載されているパワー半導体素子の
発熱量の多さを考慮し、通常、高熱伝導性の金属などか
らなる放熱板と、高熱伝導性で且つ高電気絶縁性の材料
からなる絶縁基板と、回路パターンが形成された導電層
とで構成されるのが一般的であり、このとき、搭載部品
の発熱量に応じて絶縁基板の材料が選択されるのが通例
である。

【０００４】そして、発熱量の大きな中容量から大容量
の製品では、絶縁基板として、高価ではあるが、熱伝導
率の大きいアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセ
ラミックスなどのセラミックスが主として用いられてい
る。

【０００５】図１１は、従来技術による中容量から大容
量のパワー半導体モジュールの一例を示したもので、こ
のモジュールは、図示のように、銅の放熱板１０１の一
方の面(図では上側の面)に、絶縁基板となるセラミック
板１１０１を張り合わせ、このセラミック板１１０１に
設けてある回路パターン１１０２ａ上に、半田により接
合されたＩＧＢＴ１０４ａとダイオード１０４ｂなどの
パワー半導体素子１０４を設けたものである。

【０００６】そして、セラミック板１１０１上の回路パ
ターン１１０２ａに、金属細線１０５による接続が施さ
れ、更にパワー用外部接続端子１０８ａと信号用外部接
続端子１０８ｂに対する配線が施された上でケース１０
６内に納められ、樹脂１０７により封止される。なお、
ここで樹脂とは合成樹脂、いわゆるプラスチックのこと
である。

【０００７】このとき、セラミック板１１０１は、裏面
の銅パターン１１０２ｂを用いて放熱板１０１に半田接
合されている。一方、発熱量が比較的少ない小容量のパ
ワー半導体モジュールでは、絶縁基板として、熱伝導率
はあまり高くないが、かなり安価な樹脂製の絶縁層が用
いられている。

【０００８】図１２は、従来技術による小容量パワー半
導体モジュールの一例で、この場合は、放熱板１０１を
アルミニウム製にし、絶縁基板として樹脂絶縁層１０２
が用いられており、この樹脂絶縁層１０２に導電層１０
３を設け、この導電層１０３上にＩＧＢＴ１０４ａとダ
イオード１０４ｂなどのパワー半導体素子１０４が半田
接合されているものであり、その他の構成は図１１の場
合と同じである。

【０００９】ここで、中容量から大容量域のパワー半導
体モジュールにも、このような樹脂絶縁層からなる絶縁
基板が適用できれば、アルミナセラミックス、窒化アル
ミニウムセラミックスなどの高価なセラミックスが不要
になるので、コスト低減が図れるので望ましい。

【００１０】しかし、樹脂は熱伝導率が小さいため、発
熱量の大きな中容量から大容量のパワー半導体モジュー
ルに適用した場合、パワー半導体素子の放熱が不充分に
なって、許容温度の保持が困難になり、場合によっては
動作不良の原因となる。従って、中容量から大容量のパ
ワー半導体モジュールに樹脂絶縁層からなる絶縁基板を
適用する場合には、パワー半導体素子の発熱の放散が課
題になる。

【００１１】そこで、このパワー半導体素子の発熱を有
効に放散する手段として、図１３に示すように、パワー
半導体素子１０４と電気回路パターンを有する導電層１
０３の間に、モリブデンなどの低熱膨張率の金属からな
る熱拡散板１３０１を介在させる方法がある。

【００１２】この場合、パワー半導体素子１０４の熱
は、一旦、熱拡散板１３０１内に伝達した後、横方向に
広ってゆくので、結果としてパワー半導体モジュールの
熱抵抗の低減が得られることになる。しかし、この方法
は、モリブデンなどの金属がかなり高価で有ることと、
熱拡散板１３０１の接合に新たなプロセスが必要になる
ことから、コスト上に問題がある。

【００１３】一方、導電層を厚膜化することにより等価
的に伝熱面積を広げ、導電層に熱拡散機能が与えられる
ようにする方法が考えられるが、これに関して特開平９
−１２９８２２号公報では、厚膜の導電層を回路パター
ンに用いる方法について具体的な形で開示している。

【００１４】また、図１４に示すように、回路パターン
が作成されている厚膜の導電層１０３を用い、これを接
着剤などにより、放熱板１０１の表面に設けてある樹脂
絶縁層１０２に接着させる方法も考えられる。

【００１５】ところで、これらの方法を用いる場合、放
熱板の材料としては、一般にアルミニウムが用いられて
いる。これは、アルミニウムが安価で軽量なことから、
パワーモジュール内で比較的大きな体積を占めてしまう
放熱板に適しているからである。

【００１６】一方、この場合、導電層の材料としては一
般に銅が用いられている。これは、銅が導電性と熱伝導
性の何れにも優れているという、回路パターンに必要な
性質を充分に備えているからである。

【００１７】このように、図１４に示す構成において、
放熱板１０１にアルミニウム、導電層１０３に銅を用い
てやれば、安価、軽量で、パワー半導体素子１０４の冷
却にも優れ、低抵抗の回路パターンを有するパワー半導
体モジュールを得ることができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、絶縁
基板に樹脂絶縁層を使用したパワー半導体モジュールの
容量増加に伴う信頼性の低下について配慮がされておら
ず、大容量パワー半導体モジュールのコスト低減化を図
る上で問題があった。すなわち、このような樹脂絶縁層
を使用した半導体モジュールでは、大容量化のために
は、上記したように、放熱性の向上のため、導体層を厚
くする必要がある。

【００１９】しかし、そうすると、モジュール製造時、
導電層を樹脂絶縁層に接着する際、絶縁樹脂層に発生す
る熱応力が増加して、当該樹脂絶縁層の絶縁能力が低下
し、信頼性が保持できなくなっていまう。従って、従来
技術では、パワー半導体モジュールの絶縁基板に樹脂絶
縁層を使用した際には、大容量化が困難になってしまう
のである。

【００２０】このことを、図１４に示した従来技術によ
るパワー半導体モジュールにより説明すると、従来技術
では、まず、例えばスクリーン印刷法により、樹脂絶縁
層１０２の表面に樹脂接着剤層を形成する。次に、この
樹脂接着剤層に導電層１０３を重ね合わせた上で、例え
ば５〜１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で導電層１０３を加圧
し、この状態のままで、例えば１５０〜２００℃の温度
に加熱することにより樹脂接着剤層を硬化させ、接着が
得られるようにしている。

【００２１】ここで、従来技術では、放熱板１０１は、
上記したようにアルミニウム製であるが、導電層１０３
は銅材で作られている。そうすると、ここで、アルミニ
ウムの線膨張係数は２３.１×１０^-6／Ｋであるが、銅
の線膨張係数は１６.５×１０^-6／Ｋで、両者にはかな
りの差があり、この結果、従来技術では、この線膨張係
数の差により、製造過程における接着後の冷却時に現れ
る大きな温度変化に際して、樹脂絶縁層１０２と導電層
１０３の接合部、特に導電層１０３の端部、つまり図１
４に丸印Ａで示した部分に熱応力が発生してしまう。

【００２２】この熱応力は主として樹脂絶縁層１０２に
掛り、内部に応力を発生させてしまうので、絶縁機能が
損なわれ、モジュールの絶縁耐力が低下し、甚だしい場
合には絶縁破壊にも到り、この結果、信頼性が低下して
しまう。ここで、このときの熱応力の大きさは、導電層
１０３の面方向の強度、つまり厚さに依存し、厚さが大
になる程、大きくなる。

【００２３】従って、導電層１０３が薄い間、つまりモ
ジュールの容量が小さいときはあまり問題にならない
が、容量を大きくしようとして導電層１０３の厚さを増
した場合には大きな問題になり、このため、従来技術で
は、パワー半導体モジュールの絶縁基板に樹脂絶縁層を
使用した際には、大容量化が困難になってしまうのであ
る。

【００２４】本発明の目的は、製品容量を大きくした場
合でも熱応力の発生が充分に抑えられ、絶縁基板として
樹脂絶縁層を用いたことによるコスト低減が充分に得ら
れるようにしたパワー半導体モジュールを提供すること
にある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体素子
を搭載した導電層と放熱板の間の絶縁基板として樹脂絶
縁層を用いたパワー半導体モジュールにおいて、前記放
熱板がアルミニウム若しくはアルミニウム合金で形成さ
れ、前記導電層が少なくとも１.０ｍｍの板厚のアルミ
ニウム若しくはアルミニウム合金で形成されているよう
にして達成される。

【００２６】導電層をアルミニウム若しくはアルミニウ
ム合金で作り、放熱板もアルミニウム若しくはアルミニ
ウム合金で作れば、線膨張係数に差が無くなるので、線
膨張係数の違いに起因する応力の発生も無くすことがで
きる。

【００２７】ここで、上記した図１４の一部を拡大して
示した図１５をモデルにして、導電層と放熱板の材料の
選択による熱応力の大きさと分布について計算した結果
が図１６である。なお、ここでは、導電層を接着したと
きの冷却状態を考慮し、放熱板と導電層を均熱として温
度変化を与えている。

【００２８】この図１６において、導電層に銅、放熱板
にアルミニウムを用いた場合を示す実線の特性と、導電
層と放熱板の双方がアルミニウムの場合を示す破線の特
性を比較してみれば、破線の方が、導電層端部に発生す
る熱応力が小さくなっていることが判る。

【００２９】従って、導電層と放熱板にアルミニウム若
しくはアルミニウム合金を適用することにより、軽量、
安価で、運転時の熱歪みが小さいパワー半導体モジュー
ルが得られ、製品容量の増加にも容易に対応できること
が判る。

【００３０】一方、モジュールを使用しているときに
は、半導体素子から熱が発生し、これが放熱板に伝達さ
れ、その一方の面から放熱されるので、導電層と放熱板
の間に温度差が生じるが、このとき、導電層と放熱板の
線膨張係数が同等であると、温度差による熱応力が発生
する。

【００３１】しかし、アルミニウム若しくはアルミニウ
ム合金からなる導電層の厚さを少なくとも１.０ｍｍに
することにより、後述するように、導電層と放熱板の間
の熱抵抗を下げ、温度差を低減させることができるの
で、信頼性が低下する虞れはない。

【００３２】ここで、導電層にアルミニウムを適用した
例も無かった訳ではなく、例えば図１１に示した大容量
のモジュール構造において、窒化アルミニウムのセラミ
ック板１１０１上に設けられる導電層１１０２としてア
ルミニウムを用いたものも従来から知られている。

【００３３】しかし、この場合は、絶縁基板は、あくま
でも窒化アルミニウムのセラミック板であることが前提
であり、既に説明したように、窒化アルミニウムのセラ
ミック板は高熱伝導性であるため、特に問題はない。

【００３４】しかしながら、安価な樹脂絶縁層を用いた
場合には、絶縁基板が低熱伝導性になってしまうため、
今度は、その熱伝導性の低さが新たに半導体素子の冷却
性の点で問題になり、更に導電層をアルミニウムにした
ことにより、その熱伝導性が銅に比較して低いことも問
題になってしまう。

【００３５】ここで、アルミニウムの熱伝導率は２３３
Ｗ／ｍ・Ｋで、銅の熱伝導率は３８１Ｗ／ｍ・Ｋであ
り、従って、アルミニウムは、銅と比較した場合、熱伝
導性の点で劣り、さらにアルミニウムは比抵抗が５.９
Ωｃｍもあるのに、銅の比抵抗は３.６Ωｃｍなので、
導電性の点でも劣っている。

【００３６】しかして、導電層にアルミニウムを用いた
場合の熱伝導性と導電性の問題については、アルミニウ
ム若しくはアルミニウム合金からなる導電層の厚さを増
加させ、１.０ｍｍ以上にしているので、解決されてい
る。

【００３７】ここで、図１８は、図１７に示すパワー半
導体モジュールをモデルとして、温度Ｔj を示している
半導体素子１０４と、半導体素子１０４の直下の放熱板
１０１の裏面で、冷却フィン１７０１に接していて温度
Ｔc になっている部分の間の熱抵抗特性を、導電層１０
３がアルミニウムのときと銅のときとについて、それら
の厚みを変えた場合について示したものである。

【００３８】この図１８から、アルミニウムを用いて
も、導電層を厚くすることにより熱抵抗が低くでき、半
導体素子が効率的に冷却できることが判る。ここで、導
電層を厚くすることにより熱抵抗が低減するのは、半導
体素子１０４の熱が導電層１０３の中で面方向に容易に
拡散できるようになり、この結果、樹脂絶縁層を介して
与えられる伝熱面積が等価的に広くなるためである。

【００３９】一方、導電性の問題も低減されるが、これ
は、導電層が厚くなった結果、導電路の断面積が増した
からである。

【００４０】このように、アルミニウム若しくはアルミ
ニウム合金からなる導電層を厚くすることにより、熱伝
導性と導電性に関する問題は解決され、一方、導電層を
厚くしても、製造時に発生する熱応力が増大する虞れは
ない。これは、既に説明したように、放熱板と導電層に
熱膨張率が同じか、近い材料が用いられているからであ
る。

【００４１】また、上記課題を解決する手段において、
アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる導電層
の表面の一部又は全部を、半田濡れ性が良好な金属材料
である、例えばＮi(ニッケル)、Ａg(銀)、Ｐt(白金)、
Ｓn(錫)、Ｓb(アンチモン)、Ｃu(銅)、Ｚn(亜鉛)、Ｐd
(パラジウム)の群から選択された少なくとも１種の金属
若しくはＮi、Ａg、Ｐt、Ｓn、Ｓb、Ｃu、Ｚn、Ｐd の
群から選択された少なくとも２種の金属を含む合金によ
り被覆するようにしてもよい。

【００４２】半導体素子は、半田を用いて導電層に接合
されるが、このときアルミニウムはＰb−Ｓn系半田に対
する濡れ性が低いので、良好な接合を得るのが難しい
が、表面を上記した半田濡れ性が良好な材料で覆うこと
により、良好な半田接合が容易に得られ、信頼性が向上
する。

【００４３】また、このとき、導電層の表面で、上記し
た半田濡れ性が良好な材料で覆われた部分以外の面にニ
ッケル若しくはニッケル合金を被覆するようにしてもよ
い。半導体素子の接続には、アルミニウム合金の細線に
よる超音波接合が用いられるが、このとき、接続相手が
アルミニウム若しくはアルミニウム合金の場合には良好
な接合が得難い。

【００４４】しかし、ニッケル若しくはニッケル合金に
対しては良好な接合が容易に得られるので、これらを被
覆することにより、初期接合状態が良好で、しかも長期
にわたって安定した接合状態が保持できることになる。

【００４５】この結果、本発明によれば、中容量から大
容量の製品にも容易に対応でき、絶縁基板として樹脂絶
縁層を用いたことによるコスト低減が充分に得られるよ
うにしたパワー半導体モジュールを提供することができ
る。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるパワー半導体
モジュールについて、図示の実施の形態により詳細に説
明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態
に限られるものではない。

【００４７】まず、図１と図２は、本発明を３相パワー
回路を含むパワー半導体モジュールに適用した場合の一
実施の形態で、図１は平面構造を表わし、図２は、図１
のＡ−Ａ断面を表わす。次に、図３は等化回路で、各端
子部分の符号は、図１の端子における符号と同じであ
る。

【００４８】これらの図において、この実施形態による
パワー半導体モジュールは、放熱板１０１の一方の面
(図２では上側になっている方の面)に絶縁基板となる樹
脂絶縁層１０２を設け、その上に導電層１０３を接合
し、この導電層１０３上の所定の位置にパワー半導体素
子１０４が半田により接合されている。

【００４９】パワー半導体素子１０４と導電層１０３
は、更に金属細線１０５により接続されるが、この金属
細線１０５には、３００〜５００μｍφ程度のアルミニ
ウム合金のワイヤが用いられている。そして導電層１０
３には、適宜、外部接続端子１０８が設けられている。

【００５０】ここで、この実施形態では、ケース１０６
が樹脂絶縁層１０２を介して放熱板１０１に接着されて
いるが、このときケース１０６の材料として、耐熱性を
有するＰＰＳ(ポリフェニレンサルファイド)樹脂を用い
ることにより、パワー半導体素子１０４と導電層１０３
の半田接合と同時に、ケース１０６を樹脂絶縁層１０２
に接着することができる。

【００５１】そして、上記した導電層１０３やパワー半
導体素子１０４、金属細線１０５、それに外部接続端子
１０８の一部は、熱伝導率の高い樹脂１０７によって封
止され、パワー半導体モジュールとして完成される。

【００５２】このとき、この封止用の樹脂１０７には、
エポキシ樹脂などの比較的硬い熱硬化性樹脂を使用する
のが一般的であるが、封止の際や使用時に封止樹脂が金
属細線や素子に悪影響を与えることを防止するために、
シリコンゲルなどの比較的柔らかい材料を用いるように
してもよい。

【００５３】次に、更に具体的に説明すると、まず、放
熱板１０１は、軽量で安価なアルミニウム若しくはアル
ミニウム合金で作られている。これは、上記したよう
に、放熱板はパワー半導体モジュール内で比較的大きな
体積を有するので、銅と比較して、安価で軽量にできる
アルミニウムがパワー半導体モジュールを作製するのに
適しているからである。

【００５４】そして、この放熱板１０１は、内部での熱
の広がりによる熱抵抗の低減が充分に得られるように、
２〜５ｍｍの厚さにしてある。更に、この放熱板１０１
には取付孔１０９が設けてあり、これにより、このパワ
ー半導体モジュールが、図示してない冷却フィンに取付
けられるようになっている。

【００５５】樹脂絶縁層１０２は、低熱抵抗性と高絶縁
性が必要であり、このため、フィラーが分散されたエポ
キシ樹脂を用いるようになっている。ここで、フィラー
には、例えば酸化珪素、酸化アルミニウムなどの高熱伝
導性の無機化合物で作られたものが用いられている。

【００５６】このとき、フィラーの含有率を増すほど、
樹脂絶縁層１０２の熱抵抗が低減できるが、エポキシ樹
脂中に分散可能なフィラー量には限界があるので、通常
はフィラーの含有率を７５〜９５％の範囲にする。この
場合、樹脂絶縁層１０２の熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍＫの
範囲となる。

【００５７】一方、樹脂絶縁層１０２の熱抵抗を低減す
るのに有効な別の方法は、それを薄くすることである。
しかし、樹脂絶縁層１０２を薄くすると、その分、絶縁
耐圧が低下してしまう上、樹脂絶縁層１０２にピンホー
ルなどが発生し易くなって信頼性が低下する虞れがある
ので、樹脂絶縁層１０２の厚さの下限には限界があり、
要求される絶縁耐圧にもよるが、５０〜２５０μｍ程度
が下限になる。

【００５８】また、この樹脂絶縁層１０２は、導電層１
０３を放熱板１０１から絶縁するものであるから、導電
層１０３の周囲にも絶縁耐圧に相当する沿面距離が必要
であり、このため、足りない分は放熱板１０１の表面を
絶縁層で覆うことで補う必要があるが、この実施形態で
は、放熱板１０１の導電層１０３側の全面に樹脂絶縁層
１０２が設けてある。

【００５９】導電層１０３は、板厚が１.０ｍｍ以上の
アルミニウム若しくはアルミニウム合金で作られ、樹脂
絶縁層１０２の表面に張り合わされている。従って、放
熱板１０１と導電層１０３は、同じ材質を有することに
なり、この結果、線膨張係数の違いにより発生する応力
は小さく、上記した樹脂絶縁層１０２の熱抵抗の低減化
と相俟って、導電層１０３と樹脂絶縁層１０２の接合部
に大きな応力が発生する虞れがなく、接合部に高い信頼
性を与えることができる。

【００６０】ここで、この導電層１０３は、図１に示さ
れているように、回路パターンに応じた平面形状を有し
ているが、このときアルミニウム若しくはアルミニウム
合金は加工性に優れているので、板厚が１.０ｍｍ以上
あっても、回路パターンに応じてプレス加工により任意
の形状に作り出すことができる。

【００６１】そして、この導電層１０３には、ＩＧＢＴ
１０４ａと、これに逆並列接続されたダイオード１０４
ｂからなるパワー半導体素子１０４が、回路パターンの
同一部位になるようにして搭載され、更にパワー用外部
端子１０８ａと信号用外部端子１０８ｂが設けてあっ
て、これにより外部と接続されるようになっている。

【００６２】このとき、導電層１０３の熱伝導性が低い
と、半導体素子１０４の温度上昇を招き、半導体素子１
０４の劣化に至る場合もある。また、導電層１０３の導
電性が低いと、導電層１０３のジュール発熱により、同
じく半導体素子１０４の温度上昇を招き、半導体素子１
０４の劣化に至る場合もある。

【００６３】ここで、アルミニウム若しくはアルミニウ
ム合金は、熱伝導性と導電性の点で、銅には若干劣って
いるが、この実施形態では、導電層１０３の厚さが１.
０ｍｍ以上にしてあり、これにより、アルミニウムを用
いても、銅に対してなんら遜色のない性能が得られる。

【００６４】すなわち、まず、熱伝導性についてみる
と、導電層１０３は、その厚さが１.０ｍｍ以上になっ
ているので、半導体素子１０４から導電層１０３に熱が
伝達した後、この熱は、導電層１０３の中で面方向に容
易に拡散できるようになる。

【００６５】この結果、導電層１０３から樹脂絶縁層１
０２を介して放熱板１０１に到る熱伝達経路の面積が等
価的に広くなるので、この経路での熱抵抗は充分に小さ
く抑えられ、冷却効率の大きな向上が得られることにな
る。

【００６６】また、この結果、導電層１０３と放熱板１
０１の温度差も充分に小さく抑えられるので、これらの
材質が同じくアルミニウムになっていることとと相俟っ
て、熱歪みは充分に小さくて済み、導電層１０３と樹脂
絶縁層１０２の接合部に発生する応力が大きくなってし
まう虞れも無くなる。

【００６７】次に、導電性についてみると、この場合
も、導電層１０３の厚さが１.０ｍｍ以上になっている
ので、これによる導電路の断面積は金属細線１０５の断
面積に比較して充分に大きくなり、この結果、この実施
形態では、導電層１０３でのジュール発熱は問題となら
ない。

【００６８】従って、この実施形態によれば、パワー半
導体素子１０４の発熱量が多くなっても、樹脂絶縁層１
０２により充分に対応して確実に高い信頼性が保てるの
で、中容量から大容量までの信頼性の高いワー半導体モ
ジュールを低コストで容易に提供できることになる。

【００６９】ところで、上記実施形態において、導電層
１０３の表面に、半田濡れ性が良好な、例えばＮi、Ａ
g、Ｐt、Ｓn、Ｓb、Ｃu、Ｚn、Ｐd の群から選択された
少なくとも１種の金属若しくはＮi、Ａg、Ｐt、Ｓn、Ｓ
b、Ｃu、Ｚn、Ｐd の群から選択された少なくとも２種
の金属を含む合金を被覆するようにしてもよい。

【００７０】パワー半導体素子１０４は、通常、Ｐb−
Ｓn系の半田を用いて導電層１０３に接合されるが、こ
のとき、アルミニウム若しくはアルミニウム合金は、Ｐ
b−Ｓn系の半田には濡れ性が低く、良好な接合を得るの
が困難である。

【００７１】一方、上記した金属若しくは合金は、良好
な半田濡れ性を備えているので、これらで導電層１０３
の表面を覆うことにより、パワー半導体素子１０４の半
田付け性が大きく改善され、この結果、良好な接合が確
実に得られることになり、より一層の信頼性向上を得る
ことができる。ここで、図２に示した実施形態では、導
電層１０３の表面をＮi でメッキしたものである。

【００７２】次に、この実施形態において、上記した良
好な半田濡れ性を備えている金属若しくは合金を導電層
１０３の表面に被覆する範囲について説明する。本発明
の実施形態としては、この被覆範囲は、導電層１０３の
全表面であっても良いが、一部でもよい。すなわち、少
なくとも一部であれば良い。

【００７３】ここで、一部に被覆する場合は、パワー半
導体素子１０４が導電層１０３に搭載されたとき、導電
層１０３に接合される平面の形状に合わせてやれば良
く、この場合は、図４に斜線部で示した部分が被覆処理
部１１０となり、このとき、この被覆処理部１１０はパ
ワー半導体素子１０４の平面形状と同じか、所定の範囲
にわたって僅かに周囲に広がった形状にしてやれば良
い。

【００７４】このように、導電層１０３の表面の一部に
被覆した場合、以下の効果が得られる。例えば、Ａg な
ど、半田濡れは良好だが、アルミニウムとの接合性が乏
しい材料を用いる場合、一部にだけ被覆することによ
り、パワー半導体素子１０４の半田接合部ではＡg メッ
キによる良好な半田接合が得られ、他方、アルミニウム
の金属細線１０５が接続される部分にはＡg メッキが無
いので、パワー半導体素子１０４と金属細線１０５の双
方共に良好な接合を得ることができる。

【００７５】次に、一部だけの被覆により、半田接合時
でのパワー半導体素子１０４の位置ずれを抑えることが
できる。被覆した材料の半田濡れ性が良好な場合には、
接合時、半田が溶融した際、パワー半導体素子１０４が
浮いて所定の位置から動いてしまうことがあるが、この
とき、図４に示すように、被覆部１１０があれば、この
部分の外には溶融した半田が流れ出さないので、パワー
半導体１０４が動く虞れはなく、従って、所定の位置に
半田接合することができるのである。

【００７６】ここで、半田のフィレット(流れ面)がパワ
ー半導体素子１０４の周囲に綺麗に形成されるようにす
るためには、被覆処理部１１０を、このときでの半田の
厚さ(後述)と同じか数倍分程度、パワー半導体１０４の
接合面より広い大きさにしてやればよい。

【００７７】このときパワー半導体素子１０４と導電層
１０３の接合に使用する半田としては、プロセス温度が
低い点からみると、６３％Ｓn−３７％Ｐb などの錫と
鉛の共晶組成に近い合金が望ましいが、鉛を含有してい
ない半田が要求される場合には、Ｓn−Ａg−Ｂi(ビスマ
ス)系の半田を使用すればよい。

【００７８】そして、このとき形成される半田層の厚さ
としては、半田接合部に発生する熱歪みの低減の見地か
ら、５０μｍ以上になるようにするのが望ましい。従っ
て、上記した被覆処理部１１０がパワー半導体１０４の
周囲からはみ出してしまう範囲は、５０μｍから数１０
０μｍ程度となる。

【００７９】従って、この実施形態によれば、パワー半
導体素子１０４の発熱量が多くなっても樹脂絶縁層１０
２により充分に対応して、確実に高い信頼性が保てるの
で、中容量から大容量まで信頼性の高いパワー半導体モ
ジュールを低コストで容易に提供することができる。

【００８０】次に、図５は、本発明を単相回路用のパワ
ー半導体モジュールに適用した場合の一実施の形態で、
図６は等価回路であり、このため、図示のように、逆並
列されたＩＧＢＴ１０４ａとダイオード１０４ｂが、そ
れぞれ２チップずつ並列接続され、同一の回路パターン
を有する導電層１０３ａ上に搭載されているものであ
る。

【００８１】そして、この図５の実施形態は、パワー半
導体素子１０４を構成しているＩＧＢＴ１０４ａとダイ
オード１０４ｂの間隔Ｌ１を、並列したＩＧＢＴ１０４
ａ同士の間隔Ｌ２と並列したダイオード１０４ｂ同士の
間隔Ｌ３の内で、小さいほうよりも小さくなるように配
置した点、つまり図５において、 Ｌ１＜Ｌ２（Ｌ３＞Ｌ２のとき） Ｌ１＜Ｌ３（Ｌ２＞Ｌ３のとき） となっている点が構成上の特徴であり、その他の構成
は、図１〜図４で説明した実施形態と同じなので、同一
部分には同じ符号を付すだけで、詳しい説明は割愛す
る。

【００８２】この図５の実施形態は、上記した特徴的な
構成を有することにより、パワー半導体素子１０４の効
率的な冷却が得られ、且つモジュールの小型化が得られ
るものであり、以下、この点に重点をおいて説明する。
まず、図７と図８は、図５に示したパワー半導体モジュ
ールを動作させたときのパワー半導体素子１０４による
熱流(熱の流れ)を矢印により模式的に示したもので、こ
こで、図７は、図５のＡ−Ａ断面図で、図８は、図５の
Ｂ−Ｂ断面図であるが、このとき、本発明の実施形態で
は、導電層１０３が１.０ｍｍ以上の厚さにしてあるの
で、パワー半導体素子１０４で発生した熱は、図示のよ
うに、導電層１０３内で面方向にかなり容易に拡散して
いる。

【００８３】このとき、ＩＧＢＴ１０４ａにダイオード
１０４ｂを逆並列した半導体素子では、ダイオード１０
４ｂよりも、ＩＧＢＴ１０４ａの方が発熱量が多い。そ
こで、まず、図７に示すように、ＩＧＢＴ１０４ａとダ
イオード１０４ｂが並んでいる方向では、導電層１０３
の中で比較的発熱が少ないダイオード１０４ｂの下方に
ある部分にＩＧＢＴ１０４ａの熱を逃がしてやることが
できるので、これらの間隔Ｌ１はかなり小さくしても問
題はない。

【００８４】一方、図８に示すように、ＩＧＢＴ１０４
ａが並んでいる方向では、これらの発熱は共に多いの
で、ＩＧＢＴ１０４ａ同士の間隔Ｌ２は、或る程度は大
きくしてやる必要があり、導電層１０３内での熱の拡散
を充分に有効に利用するためには、かなり大きくとる必
要がある。

【００８５】従って、この実施形態によれば、パワー半
導体素子の効率的な冷却を損なうことなく、ＩＧＢＴ１
０４ａとダイオード１０４ｂの間隔Ｌ１を間隔Ｌ２より
も小さくすることができ、その分、パワー半導体モジュ
ールの小型化が図れるという効果がある。

【００８６】なお、このとき隣り合うダイオード１０４
ｂ同士の間隔Ｌ３は特に関係はないが、一般的には、Ｌ
３＝Ｌ２の関係に作られているので、これに合わせて上
記した条件にしてある。

【００８７】次に、図９と図１０は、本発明を、３相パ
ワー回路と、このパワー回路を制御する制御用素子を含
む信号回路からなるパワー半導体モジュールに適用した
場合の一実施の形態で、図９は平面構造を表わし、図１
０は、図９のＡ−Ａ断面を表わす。ここで、図１〜図３
で説明した実施形態と同じ構成については、同一の符号
を付してあり、従って、これらの部分についての詳しい
説明は割愛する。

【００８８】まず、この図９、図１０の実施形態では、
図１〜図３で説明した実施形態と同じ構成に加えて、樹
脂絶縁層１０２上に、更にガラスエポキシ製の多層基板
９０１(図１０)が接着剤により接合されている。そし
て、この多層基板９０１の表面には、図示されていない
が、信号回路に必要な回路パターン９０２が形成してあ
り、そこに制御回路用半導体素子９０３が搭載してあ
る。

【００８９】このとき、この多層基板９０１は、樹脂絶
縁層１０２を介して、導電層１０３を放熱板１０１に接
着する際、一緒に接着剤により放熱板１０１に接合さ
れ、ＩＧＢＴ１０４ａとダイオード１０４ｂは、信号回
路用の回路パターン９０２及び導電層１０３の所定の個
所に金属細線１０５により結線接続される。

【００９０】そして、この実施形態では、放熱板１０１
の下主面が露出した状態でエポキシ樹脂によりトランス
ファ−形成され、樹脂モールド１０９により、ケースを
用いることなくモジュール化され、パワー半導体モジュ
ールとして製品化されるようになっている。

【００９１】従って、この実施形態によれば、パワー半
導体素子１０４の発熱量が多くなっても樹脂絶縁層１０
２により充分に対応でき、中容量から大容量までの信頼
性の高いＩＰＭ(インテリジェントパワー半導体モジュ
ール)を低コストで容易に提供することができる。

【００９２】

【発明の効果】本発明によれば、パワー半導体素子の発
熱が多くなっても、樹脂絶縁層で対応して確実に高信頼
性が保てるので、中容量から大容量まで低コストで高信
頼性のパワー半導体モジュールを容易に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの第１実
施形態を示す平面図である。

【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの第１実
施形態を示す断面図である。

【図３】本発明によるパワー半導体モジュールの第１実
施形態の等価回路図である。

【図４】本発明によるパワー半導体モジュールの第２実
施形態を示す平面図である。

【図５】本発明によるパワー半導体モジュールの第３実
施形態を示す平面図である。

【図６】本発明によるパワー半導体モジュールの第３実
施形態の等価回路図である。

【図７】本発明によるパワー半導体モジュールの第３実
施形態における熱の流れの一例を示す説明図である。

【図８】本発明によるパワー半導体モジュールの第３実
施形態における熱の流れの他の一例を示す説明図であ
る。

【図９】本発明によるパワー半導体モジュールの第４実
施形態を示す平面図である。

【図１０】本発明によるパワー半導体モジュールの第４
実施形態を示す断面図である。

【図１１】従来技術によるパワー半導体モジュールの第
１の例を示す断面図である。

【図１２】従来技術によるパワー半導体モジュールの第
２の例を示す断面図である。

【図１３】従来技術によるパワー半導体モジュールの第
３の例を示す断面図である。

【図１４】パワー半導体モジュールにおける応力発生部
分の説明図である。

【図１５】パワー半導体モジュールにおける応力発生を
説明するためのモデルの一例を示す説明図である。

【図１６】パワー半導体モジュールにおける応力の一例
を示す特性図である。

【図１７】パワー半導体モジュールにおける熱抵抗を説
明するためのモデルの一例を示す説明図である。

【図１８】パワー半導体モジュールにおける熱抵抗の一
例を示す特性図である。

【符号の説明】

１０１ 放熱板 １０２ 樹脂絶縁層 １０３ 導電層 １０４ パワー半導体素子 １０５ 金属細線 １０６ ケース １０７ 樹脂封止 １０８ 外部接続端子 １０９ 取付孔 １１０ 表面処理部 ９０１ ガラスエポキシ多層基板 ９０２ 信号回路用の回路パターン ９０３ 制御回路用半導体素子 １１０１ セラミック基板 １１０２ 導電層 １３０１ 熱拡散板 １７０１ 放熱フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 直人 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 真田 和昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 阪東 明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子を搭載した導電層と放熱板の
   間の絶縁基板として樹脂絶縁層を用いたパワー半導体モ
   ジュールにおいて、 前記放熱板がアルミニウム若しくはアルミニウム合金で
   形成され、 前記導電層が少なくとも１.０ｍｍの板厚のアルミニウ
   ム若しくはアルミニウム合金で形成されていることを特
   徴とするパワー半導体モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記導電層の前記半導体素子が搭載される方の面の少な
   くとも一部に、ニッケル、銀、白金、錫、アンチモン、
   銅、亜鉛、パラジウムの群から選択された少なくとも１
   種の金属若しくはニッケル、銀、白金、錫、アンチモ
   ン、銅、亜鉛、パラジウムの群から選択された少なくと
   も２種の金属を含む合金からなる層が形成されているこ
   とを特徴とするパワー半導体モジュール。