JP2002353405A - パワー半導体装置 - Google Patents
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Abstract
たパワー半導体装置を提供することを主要な目的とす
る。 【解決手段】 絶縁部材2の両面に金属板6が固着され
ている。絶縁部材2の一方の面に、金属板6を介在させ
てパワー半導体素子1が設けられている。絶縁部材2の
他方の面に、金属板6を介在させて、半田層5により放
熱板4が接合されている。放熱板4内に、冷却のための
冷媒を通過させる冷媒通路12が設けられている。冷媒
通路12の幅は、半田層5の端部の近傍において、他の
部分における冷媒通路12の幅よりも広くされている。
Description
導体装置に関するものであり、より特定的には、パワー
半導体素子を備えた電流制御用途に用いられるパワー半
導体装置に関する。
ipolar Transistor)、フライホイールダイオード、M
OSFET等のパワー半導体素子を用いた従来のパワー
半導体装置の断面図である。
ニウム(AlN)からなる絶縁部材2を備える。絶縁部
材2の一方の面に金属板6を介在させてパワー半導体素
子1が設けられている。絶縁部材2の他方の面に、金属
板6を介在させて、半田層5により放熱板4が接合され
ている。
れている。パワー半導体素子1は、注入材11に被覆さ
れている。パワー半導体素子1の上方には、電子回路基
板9が設けられており、電子回路基板9の上に電子部品
10が設けられている。これらの部品は、外部筐体3内
に収められている。
4に接着されている。外部筐体3を貫通するように、外
部電極8が金属板6に接続されている。放熱板4には、
冷媒口プラグ40が取付けられている(図では、出入口
の一方のみが図示されている。)。
伝導率の高い材料(たとえばCu)で形成される。この
ような従来のパワー半導体装置は、たとえば、特開平9
−121019号公報に提案されている。
熱板4の内部には、冷媒としての水などの流体を流すた
めの冷媒通路(図示せず)が形成されている。
半導体装置の駆動時に、パワー半導体素子1にゲート信
号を入力することで、コレクタ・エミッタ間の電流をO
N/OFFさせる。このとき、パワー半導体素子1に発
生した熱が、表面側の金属板6、絶縁部材2、裏面側の
金属板6、裏面側の半田層5を伝導して放熱板4に伝え
られ、放熱板4の内部を流れる冷媒に放熱される。冷媒
は、冷媒口プラグ40を介して、装置外部の循環装置に
より、循環される。
返しにより、パワー半導体装置には温度の上昇と下降の
変動が繰返される。パワー半導体素子1の線膨張率は、
約3×10-6(1/℃)、絶縁部材2のそれは約5×1
0-6(1/℃)、放熱板4のそれは銅の場合、17×1
0-6(1/℃)であるため、これらが接合された装置の
構造においては、各部材内部に熱応力が発生する。
認するための重要な項目として、温度サイクル試験があ
る。試験は、通常−40℃から125℃の繰返し温度変
化をパワー半導体装置に与えるが、冷媒通路の設けられ
た放熱板4の厚みは、約10〜20mmと厚いため、温
度サイクル試験により、場合によっては、温度変動回数
(温度サイクル数)が数百回程度で、半田層5に亀裂が
発生し、これが進展する。
半導体素子1の熱が放熱板4に伝わるための伝熱経路が
遮断されるため、パワー半導体素子1の温度が上昇し、
正常動作が妨げられることが懸念される。
パワー半導体装置によれば、図11を参照して、両面に
金属板6が接合された絶縁部材2に、放熱板4を半田付
けしている。このような構造では、少ない温度サイクル
数で、半田層5に亀裂が発生して、これが進展するため
に、長期にわたる温度サイクルで、安定した放熱性能を
維持できないという問題点があった。
ためになされたもので、半田層の耐温度サイクル性を向
上することができるように改良されたパワー半導体装置
を提供することを目的とする。
を向上できる構造を有するパワー半導体装置を提供する
ことにある。
導体装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備え
る。上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させ
て、パワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材
の他方の面に、上記金属板を介在させて、半田層によ
り、放熱板が接合されている。上記放熱板内に、冷却の
ための冷媒を通過させる冷媒通路が設けられている。上
記冷媒通路の幅は、上記半田層の端部の近傍において、
他の部分における冷媒通路の幅よりも広くされている。
記放熱板の、上記半田層と接触する面と反対側の面に、
凹部が設けられている。
ば、上記凹部は、複数箇所に設けられている。
ば、上記冷媒通路の幅は、上記半田層の4隅の近傍にお
いて、他の部分における上記冷媒通路の幅よりも広くさ
れている。
よれば、上記冷媒通路は、上記放熱板内において碁盤目
状に形成されている。
装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備える。
上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させてパ
ワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材の他方
の面に、上記金属板を介在させて、半田層により、放熱
板が接合されている。上記放熱板内であって、上記半田
層の端部の近傍には、該放熱板の剛性を局部的に低減さ
せるための空隙が設けられている。
記放熱板の厚みは、上記半田層の端部の近傍において、
他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている。
ば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅
よりも熱膨張率が小さい金属層が形成されている。
ば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅
よりも縦弾性率が小さい金属層が形成されている。
について説明する。
図である。
ニウム(AlN)からなる絶縁部材2を備える。絶縁部
材2の一方の面に金属板6を介在させてパワー半導体素
子1が設けられている。絶縁部材2の他方の面に、金属
板6を介在させて、半田層5により放熱板4が接合され
ている。
で接続されている。パワー半導体素子1は、注入材11
に被覆されている。パワー半導体素子1の上方には、電
子回路基板9が設けられており、電子回路基板9の上に
電子部品10が設けられている。これらの部品は、外部
筐体3に収められている。
4に接着されている。外部筐体3を貫通するように、外
部電極8が金属板6に接続されている。放熱板4には、
冷媒口プラグ40が取付けられている放熱板4には、放
射性能を高くするために、熱伝導率の高い材料(たとえ
ば熱膨張率が約390(W/m・K)のCu材)が用い
られる。
側の面に、凹部15が設けられている。放熱板4内に
は、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路12と、冷
媒口13が設けられている。冷媒通路12の幅は、半田
層5の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路
12の幅よりも広くされている。換言すると、半田接合
層5の端部の直下の位置における、放熱板4の冷媒通路
12の断面は、絶縁部材2の中央部直下の冷媒通路12
の断面よりも大きい。
路12の断面を大きくすることによって、半田層5の端
部下の放熱板4の剛性が、周囲に比較して小さくなる。
パワー半導体装置の温度変動に伴い発生する半田層5の
端部の熱応力は、上下の被接合材の線膨張率、弾性率お
よび板厚に影響することがわかっている。たとえば、図
2に示すような、第1層および第2層が半田層(接合
層)を挟む3層積層構造における半田層(接合層)のせ
ん断応力τは、半田層(接合層)の端部で最大となり、
剪断応力τの値は、次式で表わされる。
第1層の厚さ、縦弾性率および線膨張率、ηおよびGは
接合層の厚さおよび横弾性率、t2、E2およびα2は
第2層の厚さ、縦弾性率および線膨張率である。また、
ΔTはせん断応力が0のときからの温度変化、Lは接合
層の長さである。
ば、半田層(接合層)の端部の応力を低減できることが
わかるが、冷媒循環による放熱を考えると、半田層(接
合層)の下全部を冷媒通路にすることは、冷媒の流速が
低下し、効率が低減する。
田層5の亀裂は、接合端部から発生することが実験で明
らかであることから、半田層5の外周縁部のみの熱応力
を低下させればよい。したがって、図1に示すような冷
媒通路12を設ければ、半田層5の端部応力を低下させ
ることができ、温度サイクル寿命(温度サイクル数)を
増加させることができる。
いる位置の放熱板4の裏面(絶縁部材2の接合面と反対
側)が、冷媒通路12に干渉しない範囲で大きく凹んだ
形状を有している。冷媒口13の部分は、外部配管との
接続のための冷媒口プラグ40の取付とパワー半導体装
置全体の剛性確保のため、板厚が確保されている。
面に凹部15を設け、放熱板4の剛性を低下させること
によっても、半田層5の端部の剪断応力を低下させるこ
とができる。上述の冷媒通路12の配置と組み合わせる
と、さらに、半田層5の端部の応力低減を図ることがで
きる。
の形状、放熱板4の裏面に対する凹み加工が、半田層5
の端部の熱応力の低減に及ぼす影響について、有限要素
法による応力解析結果を示す。図1と図3を参照して、
冷媒通路12の施工および放熱板4の裏面の凹み加工を
行うことにより、半田層5の端部の、熱応力による、歪
が低減することがわかった。
装置における、放熱板4に施工された冷媒通路12の配
置を示す、平面図である。図中、破線20は、絶縁部材
2と放熱板4間に形成された半田層5の外周縁の位置を
示す。このように、半田層5の外周縁全周にわたり、そ
の直下において、冷媒通路12の幅が他の部分における
冷却通路12の幅よりも大きくされている。図中、矢印
30は、冷媒の入出方向の一例を示す。
に設ける場合を例示したが、凹部を複数箇所に設けても
よい。
板4に施工された冷媒通路12の配置を示す、平面図で
ある。
度サイクルによる発生する半田層5の亀裂は、ほとんど
の場合、半田層5の4隅から生じることが、実験で確認
されている。このことより、図5に示すように、半田層
5の4隅部分に相対する位置の冷媒通路12の幅を他の
部分より大きくして、当該部分の放熱板4の剛性を低下
させた。
るとともに、各々の冷媒通路12の最小断面積部分の断
面積が均一となり、冷媒の流速を均一化でき、放熱板4
の平面方向に対して均一な冷却が可能となる。
熱板4に設けられる冷媒通路12の形状は、たとえば図
6および図7に示したような形状であっても、同様の効
果を得ることができる。なおこれらの図において、図1
に示す部材と同一または相当する部分には、同一の参照
番号を付し、その説明を繰返さない。
板4に加工された冷媒通路12の配置を示す平面図であ
る。
相対する位置に、放熱板4の剛性を低下させるために、
横方向にその幅広部分が延びる冷媒通路12が配置され
ている。さらに、半田層5の中央部近傍の下の冷媒通路
12が、碁盤目状に配置されている。このように構成す
ると、半田層5の下部の放熱板4の剛性がさらに低減す
ることになる。その結果、半田層5の端部の剪断応力を
さらに低減でき、耐温度サイクル特性を向上できる。
熱板4を含む主要部分の断面図である。
冷媒通路12と半田層5に挟まれる放熱板部分4tの厚
みを、当該個所のみ薄くなるようにした。冷媒通路12
の上部にある放熱板4の厚みを、全面的に薄くすること
が、製造上の問題などで不可能な場合、たとえば、放熱
板4の上面のうねりが大きくなり、絶縁部材2が高精度
に半田接合できないような場合がある。こうした場合に
も、本発明の実施の形態により、必要部分のみ(4t)
の放熱板4の剛性を低減させることができる。そのた
め、半田層5の耐温度サイクル特性を向上できる。
熱板4を含む主要部分の断面図である。
5に挟まれる放熱板の一部分に、Cu材(線膨張率約1
7×10-6(1/℃))よりも線膨張率が小さい材料で
形成された接合板18を形成した。接合板18として
は、たとえば、線膨張率が約5×10-6(1/℃)のM
o材などを用いる。これにより、放熱板4の熱伝導性を
大幅に低下させることなく、半田層5に生じる熱応力を
低減することが可能となる。
の放熱板4を含む主要部分の断面図である。
た接合板18の材料として、縦弾性率約120GPaの
Cu材よりも縦弾性率の小さい材質のものを用いた。こ
れにより、パワー半導体装置に発生する熱応力を弾性率
の小さい接合板18で緩和できるため、半田層5に生じ
る熱応力を低減させることが可能となる。
る位置の放熱板4の剛性を局部的に低減させるために、
冷媒通路12を配置している。本実施の形態では、冷媒
通路とは別に、単に空隙を設けた。このように構成して
も同様の効果を得ることができる。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
体装置においては、半田層端部の熱応力が緩和され、熱
疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすこ
とができ、装置の信頼性を高めることができる。
対側の面に、凹部を設けた場合には、半田層端部の熱応
力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進
展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高め
ることができる。
り、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労によ
る半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことがで
き、装置の信頼性を高めることができる。
近傍において他の部分における冷媒通路の幅よりも広く
することにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和さ
れ、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸
ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
形成することにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和
され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を
さらに伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高める
ことができる。
装置では、放熱板内であって、半田層の端部の近傍に、
放熱板の剛性を局部的に低減させるための空隙が設けら
れているので、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労
による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことが
でき、装置の信頼性を高めることができる。
を、半田層の端部の近傍において、他の部分における放
熱板の厚みよりも薄くすることにより、半田層端部の熱
応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生お
よび進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高め
ることができる。
に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層を形成することに
より、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労によ
る半田層の亀裂発生および進展寿命をさらに伸ばすこと
ができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
面を、銅よりも縦弾性率が小さい金属で形成することに
より、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労によ
る半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことがで
き、装置の信頼性をさらに高めることができる。
図である。
さを説明するための図である。
る応力解析結果を示す図である。
熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
熱板に設けられた冷媒通路の別の態様を示す平面図であ
る。
熱板に設けられた冷媒通路のさらに他の態様を示す平面
図である。
熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
る放熱板の構造を説明するための断面図である。
ける放熱板の構造を説明するための断面図である。
4 放熱板、5 半田層、6 金属板、7 導線、8
外部電極、9 電子回路基板、10 電子部品、11
注入材、12 冷媒通路、13 冷媒口、14 接着
部、15 凹部、40 冷媒口プラグ。
Claims (9)
- 【請求項1】 両面に金属板が固着された絶縁部材と、 前記絶縁部材の一方の面に前記金属板を介在させて設け
られたパワー半導体素子と、 前記絶縁部材の他方の面に、前記金属板を介在させて、
半田層により接合された放熱板と、 前記放熱板内に設けられ、冷却のための冷媒を通過させ
る冷媒通路と、を備え、 前記冷媒通路の幅は、前記半田層の端部の近傍におい
て、他の部分における冷媒通路の幅よりも広くされてい
る、パワー半導体装置。 - 【請求項2】 前記放熱板の、前記半田層と接触する面
と反対側の面に、凹部が設けられている、請求項1に記
載のパワー半導体装置。 - 【請求項3】 前記凹部は、複数箇所設けられている、
請求項2に記載のパワー半導体装置。 - 【請求項4】 前記冷媒通路の幅は、前記半田層の4隅
の近傍において、他の部分における前記冷媒通路の幅よ
りも広くされている、請求項1〜3のいずれか1項に記
載のパワー半導体装置。 - 【請求項5】 前記冷媒通路は、前記放熱板内において
碁盤目状に形成されている、請求項1〜4のいずれか1
項に記載のパワー半導体装置。 - 【請求項6】 両面に金属板が固着された絶縁部材と、 前記絶縁部材の一方の面に前記金属板を介在させて設け
られたパワー半導体素子と、 前記絶縁部材の他方の面に、前記金属板を介在させて、
半田層により接合された放熱板と、を備え、 前記放熱板内であって、前記半田層の端部の近傍には、
該放熱板の剛性を局部的に低減させるための空隙が設け
られているパワー半導体装置。 - 【請求項7】 前記放熱板の厚みは、前記半田層の端部
の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも
薄くされている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の
パワー半導体装置。 - 【請求項8】 前記放熱板の、前記半田層が接触する側
の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層が形成されて
いる、請求項1〜7のいずれか1項に記載のパワー半導
体装置。 - 【請求項9】 前記放熱板の、前記半田層が接触する側
の面に、銅よりも縦弾性率が小さい金属が形成されてい
る、請求項1〜8のいずれか1項に記載のパワー半導体
装置。
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