JP2004235175A - Power semiconductor module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure having a high reliability in the structure in which a linear fin is mounted on a metallic base for a power semiconductor. <P>SOLUTION: In the structure of a power semiconductor module with a power semiconductor element switching a current, an insulating substrate with a circuit pattern on which the element is attached, and the metallic base 101 on which the substrate is attached; the linear type fin 114 is formed in a region under the substrate on the opposed surface of the substrate attached surface of the base 101, and a length in the stripe direction of the fin is formed in the length or less in the vertical direction in the shape of the substrate. Accordingly, even when the fin 114 is formed to the base, the distortion of solder under the substrate is not made larger than a plate with no fin because the fin direction of the fin and the longitudinal direction of the substrate are arranged vertically. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。特に、nsulated ate ipolarransistor(IGBT)等のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールの実装構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、IGBTモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。この自動車用インバータ中のIGBTモジュールの冷却は、水冷によるものが一般的である。高発熱であるため大きな冷却能力が必要にも関わらず、車載のため、インバータ体積の小さいことが要求されるためである。つまり、空冷では、ヒートシンク部体積が大きくなりすぎるため、空冷は許容されないのである。
【0003】
特開2001−177203号公報には、セラミック基板の少なくとも一方の面に形成した多孔質金属層を引っ張り応力が残留した金属層により被覆することが記載されている。
【0004】
冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造(直接水冷)も提案されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−177203号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の水冷用パワー半導体モジュールの構造は、信頼性の面で以下の問題がある。
【0007】
パワー半導体モジュールは、IGBT,ree heeling iode(FWD)等のパワー半導体チップを搭載した絶縁基板を、金属ベース上にはんだ接着等の手段で接着して構成される。
【0008】
動作により、パワー半導体チップは発熱,冷却を繰り返すため、モジュール中の各部材は、部材の線膨張係数に従い膨張収縮を繰り返す。一般に、金属ベースを構成するCu,Al等の金属と、絶縁基板を構成する、アルミナ,窒化アルミ等では、線膨張係数は大幅に異なる。従って、金属ベースと絶縁基板を接着するはんだ等の接着層は、大きな歪みが発生する。
【0009】
金属ベースにフィンを設けると、熱抵抗は大幅に低減できるため、動作により発熱,冷却を繰り返すパワー半導体モジュールの温度変化幅,ΔTを小さくできる。このことは、上記はんだ歪み低減につながる。しかしながら、一方で、従来平板であった金属ベースにフィンを設けると、金属ベースの剛性は増大する。剛性が増大すると、金属ベース変形による応力緩和の効果が低減するため、歪みは増大してしまう。つまり、熱抵抗を低減し、ΔTを低減しても、剛性増大により、歪みは低減しない、むしろ増大してしまう懸念もある。
【0010】
金属ベースの剛性を顕著に増大させないで、熱伝達面積を増大させる手段として、フィン形状をピンタイプとすることが考えられる。しかしながら、ピンフィンは、冷却水を通流したときの圧力損失が大きい、さらには、直線型フィンと比較して製造コストが高い、等のデメリットがある。
【0011】
本発明の目的は、パワー半導体モジュールの金属ベースに直線型フィンを設けて低熱抵抗化を図った構造において、絶縁基板と金属ベースの接着層の歪みを、フィンを設けない平板並みとできる、高信頼の構造を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、電流をスイッチングするパワー半導体素子,パワー半導体素子を接着する回路パターンを有する絶縁基板,絶縁基板を接着する金属ベースを少なくとも有するパワー半導体モジュールの金属ベースの絶縁基板の接着面に対する対向面には、絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、該絶縁基板の形状は、直線型フィンのストライプ方向の長さが、垂直型フィンの垂直方向の長さより短いことを特徴とする。また、直線型フィンは、前記絶縁基板下の領域で分割されていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造(直接水冷)について、以下に説明する。本構造の模式図を図2に示す。フィン202をIGBTモジュール200の金属ベース201に形成し、Alダイカストインバータケース209の開口部211よりケース209の外へ出し、直接冷却水を当てている。即ち、冷却用水路203は、Alダイカスト製水路カバー207と金属ベース201で形成される。本構造で、従来、金属ベースとヒートシンク間に存在した、金属と比べて高熱抵抗の熱伝導グリースは削除でき、かつ、フィン202は熱伝導率の高い銅等の金属で形成されるため、フィン効率は高く、フィン無しの平板の場合と比べて、大幅な低熱抵抗化が図れる。
【0014】
本発明について、図1,図3,図4,図5を使用して、以下説明する。
【0015】
フィンを金属ベースに形成しても、絶縁基板接着層の歪みを増大させない為には、
1)フィンにより金属ベースの剛性が増大しても、その影響を極力受けない基板構造及び基板配置にする、
2)フィンを形成しても、平板と比べて顕著に剛性が増大しないようなフィン形状にする、
3)剛性が増大しても、歪みが増大しない接着層の構造にする、等が考えられる。
【0016】
各々について、以下、説明する。
【0017】
図1は上記1)の構造説明図である。図1(a)は平面模式図、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図である。断面模式図において、絶縁基板100表面の回路パターン、及び、接着用の裏面金属パターン、さらに、半導体チップと絶縁基板100の回路パターン,絶縁基板と金属ベースの接着層は省略している。金属ベース101の長手方向に、直線型のフィン114が形成されている。従って、金属ベース長手方向は、梁が形成されたような効果がある。つまり、フィン114のない平板ベースの場合と比べて、剛性が顕著に増大するのは、金属ベース101の長手方向である。短辺方向、つまり、フィン垂直方向は、図1(c)より明らかなように、フィンの存在しない部分で平板と同じように変形できるため、剛性は顕著に増大しない。
【0018】
一方、長方形絶縁基板100の接着層の応力は、基板長手方向の基板端、つまり、短辺に集中する。従って、接着層の応力、つまり、歪みの大小に影響を与えるのは、絶縁基板100長辺方向の金属ベースの剛性である。
【0019】
従って、図1に示すように絶縁基板100の長辺を、金属ベースの長手方向と概略垂直に配置すれば、前述のようにフィン垂直方向の剛性は顕著に増大しないため、接着層の応力,歪みも増大することはない。
【0020】
次に、図3は、上記2)の説明図である。図1と同じく、図3(a)は平面模式図、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図である。上述の場合と異なり、長方形絶縁基板100の長手方向と、フィン方向は同じである。つまり、フィン301による金属ベース300の剛性増大は、そのままでは絶縁基板100接着層の歪みを増大させてしまう。そこで、フィン301の中央部にスリット302を形成し、フィン301による剛性増大を低減させている。スリット302部でベース300は変形できるためである。この効果を顕著にするため、スリット302は、絶縁基板100の概略中央部に存在しなければならない。
【0021】
最後に、図4,図5は、上記3)の説明図である。図1と同じく、図4(a)は平面模式図、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図、図5は図4(c)の絶縁基板100接着部の拡大図である。絶縁基板100と金属ベース401を、はんだ500で接着した場合である。上記図3の場合と同じく、長方形絶縁基板100の長手方向と、フィン400の方向は同じであるため、このままでは絶縁基板100の短辺のはんだ層に、平板の場合と比べて、大きな歪みが発生してしまう。そこで、基板接着のはんだ層500の膜厚を、基板100中央で薄く、両端に向かって、つまり、フィン400方向にそって、厚くなるようにしている。この構造とすることで、はんだ層の厚みは、応力が大きい部分で厚くできるため歪みは小さくでき、かつ、厚くする必要ない部分、つまり、基板中央部は薄いままなので、熱抵抗の増大を極力低減することができる。
【0022】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【0023】
(実施例1)
図1,図7,図8を使用して第一の実施例について詳細に説明する。50kWクラスの水冷3相インバータに適用される、3相IGBTモジュールの実施例である。
【0024】
モジュールの主端子,制御端子,ケース等を省略し、銅ベース101,IGBTペレット103,FWDペレット104等をはんだ接着した銅貼り窒化アルミ基板100,主端子用電極パッド112,制御端子用電極パッド110等のみを表している。図1(a)は平面模式図、同図(b)(c)は同図(a)のAA,BB断面模式図である。断面模式図において、絶縁基板100表面の回路パターン、及び、接着用の裏面金属パターン、さらに、半導体チップと絶縁基板100の回路パターン,絶縁基板と金属ベースの接着層は省略している。
【0025】
窒化アルミ基板100の大きさは2.6cm×5cm で、チップサイズ11mm□のIGBTペレット103,チップサイズ6mm×9mmのFWDペレット104各2チップが、融点300℃以上の高温はんだで接着されている。はんだ膜厚は0.1mm程度である。各ペレットの電圧/電流定格は600V/200Aであり、2並列接続されることにより、定格600V/400Aのモジュールとなっている。さらに、窒化アルミ基板100には、IGBTを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗ペレット105,温度検出用サーミスタ109がはんだ接着されている。IGBTペレット103,FWDペレット104と窒化アルミ基板100上の銅パターンである回路パターン122,123との接続は、アルミワイヤ106,108,107で行う。本ワイヤの線経は300μmφである。アルミワイヤ107,108は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。本パワー半導体搭載窒化アルミ基板100と銅ベース101は、融点180℃程度の低融点はんだである共晶はんだで接着されている。はんだ膜厚は約0.15mm である。窒化アルミ基板100と主端子,制御端子用電極パッド112,110との接続も同じくアルミワイヤ113,111で行われる。このワイヤの線経は500μmφである。アルミワイヤ106,108,107は、半導体ペレット表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要ある。従って、300μmと比較的細いワイヤを使用している。しかし、アルミワイヤ113,111はダメージに配慮する必要ないため、ボンディング本数の低減、かつ、電気抵抗低減に配慮して、太いワイヤを使用している。
【0026】
3相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板100から構成され、合計6枚の基板100が大きさ10cm×23cm、平板部の厚さ3mmのフィン付銅ベース101にはんだ接着されている。フィン114の幅115,間隔116,高さ118は各々1mm,2mm,5mmである。また、長さ120は16cmである。フィン114の本数は14本であり、全体のフィンの幅121は4cmである。フィン114は、もちろん窒化アルミ基板100下の領域に配置される。フィン114の形状は、冷却水を流したときの流速、及び、フィン効率を考慮し、最大の熱伝達を実現できる形状とした。
【0027】
本モジュールに、水路カバーを取り付けた場合の実施例を図8に示す。図1(a)のAA断面模式図に水路カバーを取り付けた場合の模式図を示している。フィン114の底面にAlダイカスト製水路カバー801を接触させて水路を構成している。水路カバー801の肉厚は、強度を考慮し3mmとした。また、図1(a)のBB断面は図示していないが、水路カバーの幅は全体のフィン幅4cmと同程度にしている。以上のように、水路カバー801をフィン114に接触させているのは、フィン間に冷却水を効率良く流し、熱伝達率を可能な限り向上させる為である。形成される冷却水路一本当たりの形状は、高さ5mm,幅2mmであり、流路の本数は、13本である。冷却水のシールは、水路カバー801の取り付けをOリング800で行って実施している。Oリング取り付け用に、Alダイカスト製インバータ筐体802に溝803を設けている。筐体の肉厚は、水路カバーと同様、3mmとした。Oリングの線径は1.9mmφ 、溝深さは1.4mm である。また、モジュールはM6ボルトで取り付け、締付けトルクは2.45N・m とした。このトルクは、通常のモジュール取り付けトルクと同程度である。
【0028】
以上の構成のモジュール、及び水路に、エチレングリコール50vol.%の冷却水を、流量20L/min で給水口804から通流し、冷却性能を測定した。上記冷却流路構造より、冷却水の平均流速は、2.6m/s である。
【0029】
まず、冷却性能の指標である、冷却水からIGBTチップジャンクションまでの熱抵抗,Rth(j−w)を評価した。結果、冷却水温度60℃の場合、0.12K/Wとなった。参考のため、フィン114を削除した場合のモジュールも製造し、Rth(j−w)を測定した。この場合の冷却水路の形状は、深さ2mm,幅4cmであり、冷却水の平均流速は4.2m/s である。結果、Rth(j−w)=0.16K/W であった。つまり、フィンを形成することで、冷却性能は30%程度向上することができた。また、給排水管間の圧力損失は、9kPaであり、同じく、フィン無しの場合の11kPaと比べて、こちらも改善することができた。Rth(j−w)を30%低減できたことは、半導体チップの発熱が同じ場合、温度上昇を30%低減できることを意味する。このことは、銅ベース101にフィンを付与することによる剛性増大が、基板100接着はんだ層へ顕著に影響を与えなければ、大幅に寿命が増大することを意味する。はんだ接着層の歪みを実験的に直接測定するのは極めて困難である。
【0030】
そこで、3次元シミュレーションにより、基板100接着はんだ層の歪みを評価した。結果を図7に示す。温度を100℃から30℃へ変化させた場合のせん断歪みをシミュレーションした結果である。図中▲1▼は、基準となるフィンが無い平板場合(板厚3mm)の結果、▲3▼が本発明構造の結果、▲2▼は参考の為、基板100長手方向とフィン114方向を同じにした場合である。シミュレーション結果、歪みが顕著に発生するのは、いずれの場合も基板100長手方向の基板端である、二つの短辺近傍に集中した。本発明を採用しない▲2▼の場合、せん断歪み範囲は3.8% であり、▲1▼の3.5% と比べて10%程度増大した。一方、本発明構造である▲3▼の場合3.4% であり、基準である▲1▼の場合と同程度であった。以上より本発明の効果が明らかになり、上記フィン付による熱抵抗低減効果と併せて、大幅なはんだ寿命向上が期待できる。
【0031】
本実施例の場合より、さらにはんだ歪みを低減させる手法として、基板接着はんだ層の膜厚を、基板中央部で薄く、基板長手方向,両端に向かって厚くすることがある。短辺方向基板端に比べて、長編方向基板端の応力が顕著に大きい為、膜厚を増大して、応力を低減するのである。
【0032】
(実施例2)
第二の実施例を、図3を使用して説明する。図3(a)は平面模式図を、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図を表している。基板上の搭載部品を含め、銅貼り窒化アルミ基板100の構造は、実施例1と同じである。また、銅ベース300の形状,平板部の板厚も実施例1と同じである。さらに、銅ベース300上の基板100の配置,基板100接着用はんだの種類,膜厚も全く同じである。実施例1と異なるのは、フィン301の構造である。実施例1は、モジュールの長手方向に直線型のフィン114を配置した場合の実施例であった。この場合の特長は、冷却流路を直線型にでき単純にできるため、圧力損失が小さい等である。しかしながら、IGBTモジュールを水冷インバータに使用する場合、インバータの形状の要求から、給排水管を実施例1のように、IGBTモジュール長手方向両端の位置に配置できるとは限らない。本実施例は、この場合に対処した実施例である。
【0033】
本実施例は、給排水管をモジュール長手方向の垂直方向に配置した場合である。従って、フィン301は銅ベース300短辺方向に平行な直線型フィンとしなければならない。フィン高さ,幅,間隔は実施例1と同じであり、長さ303は5cmである。このフィン構成の場合、基板100の長手方向とフィン301の方向は一致してしまう。従って、実施例1のメカニズムによるはんだ歪み低減は実現できず、基板下はんだ歪みは、フィンによる銅ベース剛性増大の影響を顕著に受けてしまう。そこで、基板100の概略中央でフィンにスリット302を設け、2分割している。スリット302の幅は1mmとしている。この幅は加工の許す範囲で小さいことが望まれる。フィンの効果を可能な限り低減させない為である。このスリット302でフィン301を2分割することにより、基板100に与えるフィンの影響は顕著に低減できる。スリット302部で銅ベース300は変形できるためである。
【0034】
全体流路について、以下説明する。実施例1と同じく直線型の水路とすると、水路幅は16cm程度になってしまい、冷却性能向上に必要な高流速を実現することはできない。例えば、実施例1と比べて、1/4程度になってしまう。これでは、高熱伝達は全く期待できず、高熱伝達を達成する、というフィンを形成する目的に反する。そこで、流路を流路α,β,γの3分割とし、全体をS字型流路として接続している。この水路形状とすることにより、流量20L/min の場合、平均流速は2m/sとなり、実施例1と比べて、遜色ない流速とすることができた。本流量で、Rth(j−w),ΔPを測定すると、0.13K/W ,14kPaであった。Rth(j−w)は実施例1と比べて流速が若干低減した為増大し、ΔPは、直線型水路と異なり、S字型水路の為、フィンへの出入りの拡大・縮小圧力損失、及び、曲げ圧力損失が追加され、顕著に増大した。
【0035】
実施例と同じ手法で基板下はんだのせん断歪みを評価した。結果、スリット302が無い場合は3.8%であった歪みは、スリット302により、3.6%まで低減した。この値は、平板の場合の3.5% と同等であり、本発明の効果が確認できた。
【0036】
(実施例3)
第三の実施例を、図4,図5を使用して説明する。図4(a)は平面模式図を、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図を表している。また、図5は図4(c)基板接着部の拡大図である。
【0037】
本実施例は実施例2と同じ構成の場合の実施例である。即ち、直線型のフィン400の方向と銅貼り窒化アルミ基板100の長手方向が一致している場合である。つまり、対策無しでは、フィンによる銅ベース剛性増大で、板下はんだ歪みは顕著に増大してしまう。本実施例では、対策として基板接着はんだ層の膜厚を制御している。はんだ接着部の拡大図である図5で説明する。
【0038】
前述のように、はんだ歪みが集中するのは、基板100の長手方向の端である、短辺近傍である。そこで、基板100下の銅ベース401を、基板中央部でなだらかに上に凸の形状としている。凸部の高さは約0.1mm である。銅ベース401の形状を、本形状とすることにより、はんだ層500は基板100中央部で薄く、基板端に向かって厚くできる。本実施例では、基板中央部の膜厚は約0.1mm で、両端の膜厚は0.2mm となるようにはんだ量を制御している。この構造で、応力が集中する基板端の膜厚を増大できるため、はんだ歪みを大幅に低減できる。単に膜厚全体を0.2mm としても、はんだ歪み低減効果は同様、あるいはそれ以上であるが、全体を厚くすると、熱抵抗が増大してしまい、フィン付与による熱抵抗低減効果が減少してしまう。
【0039】
全体流路は、実施例2と同一である。冷却水流量20L/minで、Rth(j−w)を測定した。結果、0.135K/W と実施例2と比べてわずかに増大した。圧力損失,ΔPは実施例と全く同じ14kPaであった。一方、はんだ歪みをシミュレーションすると、3.3% と、フィンの無い平板の場合よりも低減できた。以上より、本構造で、大幅な寿命増大が期待できる。
【0040】
(実施例4)
第四の実施例を、図6を使用して説明する。図6(a)は平面模式図を、同(b)は同(a)のAA断面模式図を表している。これまでの実施例は、3相モジュール一台について、そのモジュール構造、及び、冷却系の実施例であった。水冷インバータの使用される対象、例えば、電気自動車用インバータによっては、二つのインバータ機能を一つのケーシングとすることも要求されることがある。例えば、モータ駆動用と発電機用である。本実施例は、この場合に対応した実施例である。
【0041】
銅ベース601にパワー半導体ペレット等を搭載した銅貼り窒化アルミ基板100、及び、600を搭載している。銅ベース601の大きさは、20cm×23cmである。平板部の厚さは3mmとしたが、基板下はんだ歪みの許す限り厚くすることが望まれる。IGBTモジュール組立過程での反り等を可能な限り低減させる為である。6枚の基板100で3相モジュールAを、同じく6枚の基板600で3相モジュールBを構成している。両者とも電圧/電流定格は、600V/400Aの場合を示している。しかしながら、もちろん、どちらかあるいは両者とも電流定格を低減させることはIGBTペレット103,FWDペレット104を取り替えることにより対応できる。フィン603,604の形状は、実施例1のフィン114と同一構造であり、各々、基板100,600の下に配置される。なお、フィン603,604はパワー半導体ペレットの発熱量によって変えることは可能である。例えば、3相モジュールBの損失が同Aと比べて小さい場合、フィン604の本数をフィン603の本数比べて少なくする、等の変更が考えられる。
【0042】
フィン603,604をコの字型の水路カバーで覆い、一つの流路とし、冷却水を通流して、Rth(j−w),ΔPを測定した。冷却水の流量は10L/min である。これまでの実施例と異なり、二つのモジュールを冷却するため、冷却部、即ち、フィン部の長さが長い為、その部分の損失が大きい為である。Rth(j−w)は流量低減により増大し、0.15K/W となり、ΔPは、6kPaと大幅に低減できた。
【0043】
基板下はんだ歪みは、実施例1と同じ基板配置構造、即ち、直線型フィンと基板長手方向が垂直なため、低く抑えられている。
【0044】
【発明の効果】
本発明によれば、フィンを金属ベースに形成しても、直線型フィンのフィン方向と、絶縁基板の長手方向を垂直に配置する為、絶縁基板下はんだの歪みは、フィンのない平板と比べて増大しない。基板下はんだ歪みは、基板長手方向の基板端に集中し、この方向のフィン付金属ベースの剛性は、フィンの無い部分で変形できる為、顕著に増大しない為である。また、直線型フィン方向と、絶縁基板長手方向を一致させた場合でも、基板の概略中央部でフィンにスリットをいれて分割すれば、この部分で変形し易くなり、やはり、剛性は低減する効果がある為、はんだ歪みは増大しない。さらには、同じく、直線型フィン方向と、絶縁基板長手方向が一致した場合、基板長手方向のはんだ層を基板中央部で薄く、基板端に向かって厚くなる形状にすれば、基板端はんだの膜厚増大により、応力が低減し、はんだ歪みは低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構造を示す、(a)平面構造模式図、(b)(c)断面構造模式図。
【図2】従来水冷インバータの断面模式図。
【図3】本発明の一実施例の(a)平面構造模式図、(b)(c)断面構造模式図。
【図4】本発明の一実施例の(a)平面構造模式図、(b)(c)断面構造模式図。
【図5】図5に示す実施例の断面拡大図。
【図6】本発明の一実施例の平面構造模式図。
【図7】はんだ歪み計算結果の一例。
【図8】水路カバーを含んだ実施例。
【符号の説明】
100,600…銅貼り絶縁基板、101,201,300,401,601…金属ベース、102…モジュール取付穴、103…IGBTペレット、104…FWDぺレット、105…抵抗ペレット、106…ゲートワイヤ、107…エミッタワイヤ、108…カソードワイヤ、109…サーミスタ、110…制御端子用電極(パッド)、111…制御配線ワイヤ、112,602,605,606…主端子用電極(パッド)、113…主配線ワイヤ、114,301,400,603,604…フィン、115…フィン幅、116…フィン間隔、117…ベース厚さ、118…フィン高さ、119…絶縁基板長さ、120,303…フィン長さ、121…全体のフィン幅、122,123…回路パターン、200…パワー半導体モジュール、202…フィン、203…冷却水路、204…モジュール取付ボルト、205…インバータカバー、206…インバータカバー取付ボルト、207,801…水路カバー、208…水路カバー取付ボルト、209,802…インバータケース、210,800…Oリング、211…モジュール取付用開口部、302…直線フィンスリット、500…はんだ(層)、803…Oリング用溝、804…給水口、805…排水口。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor module. In particular, I nsulated G ate B ipolar T TECHNICAL FIELD The present invention relates to a mounting structure of a power semiconductor module having a power semiconductor element such as a transistor (IGBT).
[0002]
[Prior art]
A power semiconductor module such as an IGBT module is used for an inverter that controls a high-output motor such as a motor for a hybrid electric vehicle. The cooling of the IGBT module in the automotive inverter is generally performed by water cooling. This is because, despite high heat generation, a large cooling capacity is required, but the inverter is required to have a small volume for mounting on a vehicle. In other words, the air cooling is not allowed because the volume of the heat sink is too large.
[0003]
JP-A-2001-177203 describes that a porous metal layer formed on at least one surface of a ceramic substrate is covered with a metal layer in which a tensile stress remains.
[0004]
In order to improve the cooling performance, there has been proposed a structure in which fins are provided on a metal base of a power semiconductor module and cooling water is directly applied to the finned metal base (direct water cooling).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-177203 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The structure of the conventional power semiconductor module for water cooling has the following problems in terms of reliability.
[0007]
Power semiconductor modules are IGBTs, F ree W heeling D An insulating substrate on which a power semiconductor chip such as iode (FWD) is mounted is bonded to a metal base by means such as solder bonding.
[0008]
Since the power semiconductor chip repeatedly generates and cools by the operation, each member in the module repeatedly expands and contracts according to the linear expansion coefficient of the member. In general, the linear expansion coefficient of a metal such as Cu or Al constituting a metal base is significantly different from that of an alumina or aluminum nitride constituting an insulating substrate. Therefore, a large distortion occurs in an adhesive layer such as a solder for bonding the metal base and the insulating substrate.
[0009]
When fins are provided on the metal base, the thermal resistance can be greatly reduced, so that the temperature change width and ΔT of the power semiconductor module that repeats heat generation and cooling by operation can be reduced. This leads to a reduction in the solder distortion. However, on the other hand, when fins are provided on a metal base that has been a conventional flat plate, the rigidity of the metal base increases. When the rigidity increases, the effect of stress relaxation due to the deformation of the metal base decreases, so that the strain increases. That is, even if the thermal resistance is reduced and ΔT is reduced, there is a concern that the distortion is not reduced, but rather increased due to the increase in rigidity.
[0010]
As means for increasing the heat transfer area without significantly increasing the rigidity of the metal base, it is conceivable that the fin shape is a pin type. However, the pin fins have disadvantages such as a large pressure loss when the cooling water flows, and a high manufacturing cost as compared with the linear fins.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power semiconductor module in which a linear fin is provided on a metal base to reduce thermal resistance, so that the distortion of the adhesive layer between the insulating substrate and the metal base can be made equal to that of a flat plate having no fin. It is to provide a structure of trust.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a power semiconductor element for switching a current, an insulating substrate having a circuit pattern for bonding the power semiconductor element, and a metal base for a power semiconductor module having at least a metal base for bonding the insulating substrate. On the surface facing the bonding surface of the insulating substrate, there are linear fins in a region below the insulating substrate, and the shape of the insulating substrate is such that the length of the linear fins in the stripe direction is the length of the vertical fins in the vertical direction. It is shorter than the length. Further, the linear fin is divided in a region below the insulating substrate.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A structure (direct water cooling) in which fins are provided on the metal base of the power semiconductor module and cooling water is directly applied to the finned metal base to improve the cooling performance will be described below. FIG. 2 shows a schematic diagram of this structure. The fins 202 are formed on the metal base 201 of the IGBT module 200, and are taken out of the case 209 through the opening 211 of the Al die-cast inverter case 209, and are directly applied with cooling water. That is, the cooling water channel 203 is formed by the water channel cover 207 made of Al die casting and the metal base 201. In this structure, the heat conductive grease having a higher thermal resistance than the metal, which has conventionally been present between the metal base and the heat sink, can be eliminated, and the fin 202 is formed of a metal having a high thermal conductivity such as copper. The efficiency is high, and the thermal resistance can be significantly reduced as compared with the case of a flat plate without fins.
[0014]
The present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 3, 4, and 5.
[0015]
Even if the fin is formed on the metal base, in order not to increase the distortion of the insulating substrate adhesive layer,
1) Even if the fin increases the rigidity of the metal base, the substrate structure and the substrate arrangement are not affected as much as possible.
2) Even when fins are formed, the fins are formed so that the rigidity is not significantly increased as compared with a flat plate.
3) Even if rigidity is increased, a structure of an adhesive layer in which distortion does not increase may be considered.
[0016]
Each of these will be described below.
[0017]
FIG. 1 is a structural explanatory view of the above 1). FIG. 1A is a schematic plan view, and FIGS. 1B and 1C are schematic sectional views of AA and BB in FIG. In the schematic cross-sectional view, a circuit pattern on the front surface of the insulating substrate 100, a back metal pattern for bonding, a circuit pattern between the semiconductor chip and the insulating substrate 100, and an adhesive layer between the insulating substrate and the metal base are omitted. In the longitudinal direction of the metal base 101, a linear fin 114 is formed. Therefore, there is an effect that a beam is formed in the longitudinal direction of the metal base. That is, the rigidity significantly increases in the longitudinal direction of the metal base 101 as compared with the case of the flat plate base without the fins 114. As is clear from FIG. 1C, the short side direction, that is, the vertical direction of the fin, can be deformed in the same manner as a flat plate in a portion where no fin exists, so that the rigidity does not significantly increase.
[0018]
On the other hand, the stress of the adhesive layer of the rectangular insulating substrate 100 is concentrated on the substrate edge in the substrate longitudinal direction, that is, on the short side. Therefore, it is the rigidity of the metal base in the long side direction of the insulating substrate 100 that affects the stress of the adhesive layer, that is, the magnitude of the distortion.
[0019]
Therefore, as shown in FIG. 1, if the long side of the insulating substrate 100 is arranged substantially perpendicular to the longitudinal direction of the metal base, the rigidity in the fin vertical direction does not increase remarkably as described above. The distortion does not increase.
[0020]
Next, FIG. 3 is an explanatory diagram of the above 2). As in FIG. 1, FIG. 3A is a schematic plan view, and FIGS. 3B and 3C are schematic cross-sectional views of AA and BB in FIG. Unlike the case described above, the longitudinal direction of the rectangular insulating substrate 100 is the same as the fin direction. That is, the increase in the rigidity of the metal base 300 due to the fins 301 increases the distortion of the adhesive layer of the insulating substrate 100 as it is. Therefore, a slit 302 is formed in the center of the fin 301 to reduce an increase in rigidity due to the fin 301. This is because the base 300 can be deformed at the slit 302 portion. In order to make this effect remarkable, the slit 302 must be present at a substantially central portion of the insulating substrate 100.
[0021]
Finally, FIGS. 4 and 5 are explanatory diagrams of the above 3). As in FIG. 1, FIG. 4A is a schematic plan view, FIGS. 4B and 4C are schematic cross-sectional views of AA and BB of FIG. 4A, and FIG. It is an enlarged view. This is a case where the insulating substrate 100 and the metal base 401 are bonded with the solder 500. As in the case of FIG. 3 described above, since the longitudinal direction of the rectangular insulating substrate 100 and the direction of the fin 400 are the same, a large distortion occurs in the solder layer on the short side of the insulating substrate 100 as it is in the case of a flat plate. Will occur. Therefore, the thickness of the solder layer 500 for bonding the substrate is made thinner at the center of the substrate 100 and becomes thicker toward both ends, that is, along the fin 400 direction. By adopting this structure, the thickness of the solder layer can be increased in the portion where the stress is large, so that the distortion can be reduced, and the portion that does not need to be thick, that is, the central portion of the substrate is kept thin, so that the thermal resistance increases as much as possible. Can be reduced.
[0022]
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0023]
(Example 1)
The first embodiment will be described in detail with reference to FIGS. It is an embodiment of a three-phase IGBT module applied to a 50 kW class water-cooled three-phase inverter.
[0024]
A main terminal, a control terminal, a case, and the like of the module are omitted, and a copper base 101, an IGBT pellet 103, an FWD pellet 104, and the like are solder-adhered to a copper-bonded aluminum nitride substrate 100, a main terminal electrode pad 112, and a control terminal electrode pad 110. And so on. 1A is a schematic plan view, and FIGS. 1B and 1C are schematic sectional views taken along the lines AA and BB in FIG. 1A. In the schematic cross-sectional view, a circuit pattern on the front surface of the insulating substrate 100, a back metal pattern for bonding, a circuit pattern between the semiconductor chip and the insulating substrate 100, and an adhesive layer between the insulating substrate and the metal base are omitted.
[0025]
The size of the aluminum nitride substrate 100 is 2.6 cm × 5 cm 2, and two chips, each of an IGBT pellet 103 having a chip size of 11 mm □ and an FWD pellet 104 having a chip size of 6 mm × 9 mm, are bonded by high-temperature solder having a melting point of 300 ° C. or more. . The solder film thickness is about 0.1 mm. The voltage / current rating of each pellet is 600 V / 200 A, and the module is rated 600 V / 400 A by being connected in two parallel. Further, a gate resistor pellet 105 for preventing resonance and a thermistor 109 for detecting temperature when the IGBT is driven in parallel are soldered to the aluminum nitride substrate 100. The connection between the IGBT pellets 103 and FWD pellets 104 and the circuit patterns 122 and 123, which are copper patterns on the aluminum nitride substrate 100, is made by aluminum wires 106, 108 and 107. The wire diameter of this wire is 300 μmφ. The aluminum wires 107 and 108 do not represent the total number but only representative wires. The power semiconductor-mounted aluminum nitride substrate 100 and the copper base 101 are bonded together by a eutectic solder which is a low melting point solder having a melting point of about 180 ° C. The solder film thickness is about 0.15 mm. The connection between the aluminum nitride substrate 100 and the main terminal and control terminal electrode pads 112 and 110 is also made by aluminum wires 113 and 111. The wire diameter of this wire is 500 μmφ. Since the aluminum wires 106, 108 and 107 are bonded to the surface of the semiconductor pellet, it is necessary to consider low damage. Therefore, a relatively thin wire of 300 μm is used. However, since the aluminum wires 113 and 111 do not need to be considered for damage, thick wires are used in consideration of reduction in the number of bondings and reduction in electric resistance.
[0026]
Each arm of the three-phase module is composed of one aluminum nitride substrate 100, and a total of six substrates 100 are solder-bonded to a finned copper base 101 having a size of 10 cm × 23 cm and a flat plate portion having a thickness of 3 mm. . The width 115, interval 116, and height 118 of the fin 114 are 1 mm, 2 mm, and 5 mm, respectively. The length 120 is 16 cm. The number of the fins 114 is 14, and the width 121 of the entire fins is 4 cm. Fin 114 is of course arranged in a region below aluminum nitride substrate 100. The shape of the fin 114 is designed to achieve the maximum heat transfer in consideration of the flow rate when the cooling water flows and the fin efficiency.
[0027]
FIG. 8 shows an embodiment in which a water channel cover is attached to this module. FIG. 1A is a schematic diagram showing a case where a water channel cover is attached to the AA cross-sectional schematic diagram. An aluminum die-cast waterway cover 801 is in contact with the bottom surface of the fin 114 to form a waterway. The thickness of the waterway cover 801 was 3 mm in consideration of the strength. Although the BB cross section in FIG. 1A is not shown, the width of the water channel cover is substantially equal to the entire fin width of 4 cm. As described above, the reason why the water channel cover 801 is brought into contact with the fins 114 is to allow the cooling water to efficiently flow between the fins and to improve the heat transfer coefficient as much as possible. The shape per formed cooling water channel is 5 mm in height and 2 mm in width, and the number of flow channels is 13. The sealing of the cooling water is performed by attaching the water channel cover 801 with the O-ring 800. A groove 803 is provided in the inverter housing 802 made of Al die-casting for attaching an O-ring. The thickness of the housing was 3 mm as in the case of the waterway cover. The wire diameter of the O-ring is 1.9 mmφ and the groove depth is 1.4 mm. The module was mounted with M6 bolts and the tightening torque was 2.45 N · m. This torque is comparable to a normal module mounting torque.
[0028]
Ethylene glycol 50 vol. % Cooling water was passed through the water supply port 804 at a flow rate of 20 L / min, and the cooling performance was measured. According to the cooling channel structure, the average flow velocity of the cooling water is 2.6 m / s.
[0029]
First, the thermal resistance from the cooling water to the IGBT chip junction, Rth (j−w), which is an index of the cooling performance, was evaluated. As a result, when the cooling water temperature was 60 ° C., it was 0.12 K / W. For reference, a module without the fin 114 was also manufactured, and Rth (j−w) was measured. In this case, the shape of the cooling water channel is 2 mm deep and 4 cm wide, and the average flow velocity of the cooling water is 4.2 m / s. As a result, Rth (j−w) = 0.16 K / W. That is, by forming the fins, the cooling performance could be improved by about 30%. The pressure loss between the water supply and drainage pipes was 9 kPa, which was also improved as compared with 11 kPa without fins. The fact that Rth (j−w) can be reduced by 30% means that the temperature rise can be reduced by 30% when the heat generation of the semiconductor chip is the same. This means that if the increase in rigidity due to the provision of the fins on the copper base 101 does not significantly affect the adhesive solder layer of the substrate 100, the life is greatly increased. It is extremely difficult to directly measure the distortion of the solder bonding layer experimentally.
[0030]
Therefore, the distortion of the substrate 100 adhesive solder layer was evaluated by three-dimensional simulation. FIG. 7 shows the results. It is the result of having simulated the shear strain when the temperature was changed from 100 ° C. to 30 ° C. In the figure, (1) indicates the result of a flat plate having no fin as a reference (thickness: 3 mm), (3) indicates the result of the structure of the present invention, and (2) indicates the longitudinal direction of the substrate 100 and the direction of the fin 114 for reference. It is the same. As a result of the simulation, significant occurrence of distortion was concentrated in the vicinity of the two short sides, which are the ends of the substrate in the longitudinal direction of the substrate 100 in each case. In the case of (2) where the present invention is not employed, the shear strain range was 3.8%, which was increased by about 10% as compared with the 3.5% of (1). On the other hand, in the case of the present invention (3), it was 3.4%, which was almost the same as the reference (1). From the above, the effect of the present invention becomes clear, and a significant improvement in the solder life can be expected in addition to the effect of reducing the thermal resistance by the above-mentioned fin attachment.
[0031]
As a method of further reducing the solder distortion as compared with the case of the present embodiment, the thickness of the board adhesive solder layer may be thinner at the center of the board and thicker in the longitudinal direction of the board and at both ends. Since the stress at the substrate end in the long knitting direction is significantly larger than that at the substrate end in the short side direction, the film thickness is increased and the stress is reduced.
[0032]
(Example 2)
A second embodiment will be described with reference to FIG. 3A is a schematic plan view, and FIGS. 3B and 3C are schematic cross-sectional views of AA and BB in FIG. The structure of the copper-clad aluminum nitride substrate 100 including the components mounted on the substrate is the same as that of the first embodiment. The shape of the copper base 300 and the thickness of the flat plate portion are the same as those in the first embodiment. Further, the arrangement of the substrate 100 on the copper base 300, the type of solder for bonding the substrate 100, and the film thickness are completely the same. The difference from the first embodiment lies in the structure of the fin 301. Embodiment 1 is an embodiment in which linear fins 114 are arranged in the longitudinal direction of the module. The advantage in this case is that the pressure loss is small because the cooling flow path can be made straight and simple. However, when the IGBT module is used in a water-cooled inverter, the water supply / drainage pipes cannot always be arranged at the positions at both ends in the longitudinal direction of the IGBT module as in the first embodiment due to the requirement of the shape of the inverter. The present embodiment is an embodiment that addresses this case.
[0033]
In this embodiment, the water supply / drainage pipe is arranged in the vertical direction of the module longitudinal direction. Therefore, the fin 301 must be a straight fin parallel to the short side direction of the copper base 300. The fin height, width, and interval are the same as in the first embodiment, and the length 303 is 5 cm. In the case of this fin configuration, the longitudinal direction of the substrate 100 matches the direction of the fin 301. Therefore, the reduction of the solder distortion by the mechanism of the first embodiment cannot be realized, and the solder distortion under the substrate is significantly affected by the increase in the rigidity of the copper base due to the fins. Therefore, a slit 302 is provided in the fin at substantially the center of the substrate 100, and the fin is divided into two. The width of the slit 302 is 1 mm. It is desired that this width be as small as the processing allows. This is because the effect of the fin is not reduced as much as possible. By dividing the fin 301 into two by the slit 302, the influence of the fin on the substrate 100 can be significantly reduced. This is because the copper base 300 can be deformed at the slit 302 portion.
[0034]
The entire flow path will be described below. If a straight water channel is used as in the first embodiment, the water channel width becomes about 16 cm, and it is not possible to realize the high flow velocity necessary for improving the cooling performance. For example, compared to the first embodiment, it becomes about 1/4. In this case, high heat transfer cannot be expected at all, which is contrary to the purpose of forming the fin, which achieves high heat transfer. Therefore, the flow path is divided into three flow paths α, β, and γ, and the whole is connected as an S-shaped flow path. With this water channel configuration, the average flow velocity was 2 m / s when the flow rate was 20 L / min, and the flow velocity was comparable to that in Example 1. When Rth (j−w) and ΔP were measured at this flow rate, they were 0.13 K / W and 14 kPa. Rth (j−w) increases because the flow velocity is slightly reduced as compared with the first embodiment, and ΔP is different from the straight type channel, and because of the S-shaped channel, the expansion / contraction pressure loss at the entrance and exit to the fin, and Bending pressure loss was added and increased significantly.
[0035]
The shear distortion of the solder under the substrate was evaluated in the same manner as in the example. As a result, the strain, which was 3.8% without the slit 302, was reduced to 3.6% by the slit 302. This value was equivalent to 3.5% in the case of a flat plate, and the effect of the present invention was confirmed.
[0036]
(Example 3)
A third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4A is a schematic plan view, and FIGS. 4B and 4C are schematic cross-sectional views of AA and BB in FIG. FIG. 5 is an enlarged view of the substrate bonding portion shown in FIG.
[0037]
This embodiment is an embodiment in the case of the same configuration as the second embodiment. That is, this is a case where the direction of the linear fin 400 and the longitudinal direction of the copper-clad aluminum nitride substrate 100 match. In other words, if no countermeasure is taken, the copper base rigidity increases due to the fins, so that the solder distortion under the board increases remarkably. In this embodiment, the thickness of the substrate adhesive solder layer is controlled as a measure. This will be described with reference to FIG. 5 which is an enlarged view of the solder bonding portion.
[0038]
As described above, the concentration of the solder distortion is near the short side, which is the longitudinal end of the substrate 100. Therefore, the copper base 401 under the substrate 100 is formed to have a gentle upward convex shape at the center of the substrate. The height of the projection is about 0.1 mm. By setting the shape of the copper base 401 to this shape, the solder layer 500 can be thinner at the center of the substrate 100 and thicker toward the edge of the substrate. In this embodiment, the amount of solder is controlled so that the film thickness at the center of the substrate is about 0.1 mm and the film thickness at both ends is 0.2 mm. With this structure, the thickness of the substrate end where the stress is concentrated can be increased, so that the solder distortion can be greatly reduced. Even if the entire film thickness is simply set to 0.2 mm, the effect of reducing the solder distortion is the same or more. However, when the overall thickness is increased, the thermal resistance increases, and the effect of reducing the thermal resistance by providing fins decreases. .
[0039]
The entire flow path is the same as in the second embodiment. Rth (jw) was measured at a cooling water flow rate of 20 L / min. As a result, it was 0.135 K / W, which was slightly increased as compared with Example 2. The pressure loss and ΔP were 14 kPa, which was exactly the same as in the example. On the other hand, when the solder distortion was simulated, it was 3.3%, which was smaller than the case of a flat plate without fins. As described above, the present structure can be expected to greatly increase the life.
[0040]
(Example 4)
A fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a schematic plan view, and FIG. 6B is a schematic AA cross-sectional view of FIG. The embodiments described so far have been embodiments of the module structure and the cooling system for one three-phase module. Depending on the object for which the water-cooled inverter is used, for example, an inverter for an electric vehicle, it may be required that the two inverter functions be provided in one casing. For example, one for motor drive and one for generator. This embodiment is an embodiment corresponding to this case.
[0041]
Copper-clad aluminum nitride substrates 100 and 600 each having a power semiconductor pellet or the like mounted on a copper base 601 are mounted. The size of the copper base 601 is 20 cm × 23 cm. Although the thickness of the flat plate portion was set to 3 mm, it is desired that the thickness be as large as solder distortion under the substrate allows. This is for minimizing a warp or the like in an IGBT module assembling process as much as possible. The six substrates 100 constitute a three-phase module A, and the six substrates 600 similarly constitute a three-phase module B. In both cases, the voltage / current rating indicates the case of 600 V / 400 A. However, of course, either or both of them can be reduced by replacing the IGBT pellet 103 and the FWD pellet 104. The fins 603 and 604 have the same structure as the fin 114 of the first embodiment, and are disposed below the substrates 100 and 600, respectively. Note that the fins 603 and 604 can be changed according to the heat generation amount of the power semiconductor pellet. For example, when the loss of the three-phase module B is smaller than that of the module A, a change such as reducing the number of the fins 604 compared to the number of the fins 603 may be considered.
[0042]
The fins 603 and 604 were covered with a U-shaped channel cover to form one channel, and the cooling water was passed through to measure Rth (j−w) and ΔP. The flow rate of the cooling water is 10 L / min. This is because, unlike the previous embodiments, the cooling unit, that is, the fin unit is long in order to cool the two modules, and the loss in that part is large. Rth (j−w) increased by reducing the flow rate to 0.15 K / W, and ΔP was significantly reduced to 6 kPa.
[0043]
The solder distortion under the substrate is suppressed low because the same substrate arrangement structure as that of the first embodiment, that is, the straight fin is perpendicular to the longitudinal direction of the substrate.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the fin is formed on the metal base, the fin direction of the linear fin and the longitudinal direction of the insulating substrate are arranged perpendicularly, so that the distortion of the solder under the insulating substrate is smaller than that of the flat plate without the fin. Does not increase. This is because the solder distortion under the substrate concentrates on the substrate edge in the longitudinal direction of the substrate, and the rigidity of the metal base with fins in this direction does not increase remarkably because it can be deformed at the finless portion. Also, even when the direction of the linear fins and the longitudinal direction of the insulating substrate are matched, if a slit is formed in the fin at the approximate center of the substrate and the fin is divided, it becomes easier to deform at this portion, and the rigidity is also reduced. Therefore, the solder distortion does not increase. Furthermore, when the direction of the linear fins and the longitudinal direction of the insulating substrate coincide with each other, if the solder layer in the longitudinal direction of the substrate is made thinner at the center of the substrate and becomes thicker toward the edge of the substrate, the film of the solder at the edge of the substrate can be formed. The increase in thickness has the effect of reducing stress and reducing solder distortion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic plan view showing the basic structure of the present invention, and FIG.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional water-cooled inverter.
FIGS. 3A and 3B are a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of an embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 4A is a schematic plan view of an embodiment of the present invention, and FIGS. 4B and 4C are schematic cross-sectional views.
FIG. 5 is an enlarged sectional view of the embodiment shown in FIG. 5;
FIG. 6 is a schematic plan view of an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows an example of a solder distortion calculation result.
FIG. 8 shows an embodiment including a waterway cover.
[Explanation of symbols]
100, 600: copper-clad insulating substrate, 101, 201, 300, 401, 601: metal base, 102: module mounting hole, 103: IGBT pellet, 104: FWD pellet, 105: resistance pellet, 106: gate wire, 107 ... Emitter wire, 108 ... Cathode wire, 109 ... Thermistor, 110 ... Control terminal electrode (pad), 111 ... Control wiring wire, 112,602,605,606 ... Main terminal electrode (pad), 113 ... Main wiring wire , 114, 301, 400, 603, 604: fin, 115: fin width, 116: fin interval, 117: base thickness, 118: fin height, 119: insulating substrate length, 120, 303: fin length, 121: Overall fin width, 122, 123: Circuit pattern, 200: Power semiconductor module , 202: Fin, 203: Cooling channel, 204: Module mounting bolt, 205: Inverter cover, 206: Inverter cover mounting bolt, 207, 801: Water channel cover, 208: Water channel cover mounting bolt, 209, 802: Inverter case, 210 , 800, O-ring, 211, module mounting opening, 302, straight fin slit, 500, solder (layer), 803, O-ring groove, 804, water supply port, 805, drainage port.

Claims (12)

電流をスイッチングするパワー半導体素子、前記パワー半導体素子を接着する回路パターンを有する絶縁基板、前記絶縁基板を接着する金属ベースを少なくとも有するパワー半導体モジュールであって、
前記金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面には、前記絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、前記絶縁基板の形状は、前記直線型フィンのストライプ方向の長さが、前記垂直型フィンの垂直方向の長さより短いことを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module for switching a current, an insulating substrate having a circuit pattern for bonding the power semiconductor element, and a power semiconductor module having at least a metal base for bonding the insulating substrate,
On the surface opposite to the insulating substrate bonding surface of the metal base, there is a linear fin in a region below the insulating substrate, and the shape of the insulating substrate is such that the length of the linear fin in the stripe direction is A power semiconductor module characterized by being shorter than a vertical length of a vertical fin.
少なくとも、電流をスイッチングするパワー半導体素子、前記パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板、前記絶縁基板を接着する金属ベース、を有するパワー半導体モジュールであって、
前記金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面には、前記絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、前記直線型フィンは、前記絶縁基板下の領域で分割されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module having at least a power semiconductor element for switching a current, an insulating substrate with a circuit pattern for bonding the power semiconductor element, and a metal base for bonding the insulating substrate,
On the surface opposite to the insulating substrate bonding surface of the metal base, a linear fin is provided in a region below the insulating substrate, and the linear fin is divided in a region below the insulating substrate. Power semiconductor module.
請求項1記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記絶縁基板はセラミック基板、前記金属ベースは銅ベースであり、前記パワー半導体チップと前記セラミック基板、前記セラミック基板と前記銅ベースは、各々はんだ接着されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the insulating substrate is a ceramic substrate, the metal base is a copper base, and the power semiconductor chip and the ceramic substrate, and the ceramic substrate and the copper base are soldered, respectively.
請求項3記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記セラミック基板は窒化アルミ基板であることを特徴とするパワー半導体モジュール。4. The power semiconductor module according to claim 3, wherein said ceramic substrate is an aluminum nitride substrate. 請求項3記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記セラミック基板と前記銅ベースを接着するはんだ層の厚さは、前記セラミック基板の中央部は、前記セラミック基板の長手方向の両端より薄く、前記はんだ層の厚さは前記中央部から前記両端に向かって厚くなることを特徴とするパワー半導体モジュール。4. The power semiconductor module according to claim 3, wherein a thickness of the solder layer that bonds the ceramic substrate and the copper base is such that a central portion of the ceramic substrate is thinner than both ends in a longitudinal direction of the ceramic substrate, The power semiconductor module according to claim 1, wherein a thickness of the power semiconductor module increases from the center toward the ends. 少なくとも、電流をスイッチングするパワー半導体素子、前記パワー半導体素子をはんだ接着する回路パターン付絶縁基板、前記絶縁基板をはんだ接着する金属ベース、を有するパワー半導体モジュールであって、
前記金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面には、前記絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、前記絶縁基板を前記金属ベースに接着するはんだ層のフィン方向の厚さは、前記絶縁基板中央部で薄く、前記絶縁基板両端に向かって厚くなることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor module comprising at least a power semiconductor element for switching a current, an insulating substrate with a circuit pattern for soldering the power semiconductor element, and a metal base for soldering the insulating substrate.
On the surface opposite to the insulating substrate bonding surface of the metal base, a linear fin is provided in a region below the insulating substrate, and the thickness of the solder layer for bonding the insulating substrate to the metal base in the fin direction is: A power semiconductor module, wherein the power semiconductor module is thinner at a central portion of the insulating substrate and becomes thicker toward both ends of the insulating substrate.
少なくとも、電流をスイッチングするパワー半導体素子、前記パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板、前記絶縁基板を接着する金属ベース、を有するパワー半導体モジュールであって、
前記金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面には、前記絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、前記フィン付金属ベースの剛性は、フィン方向とフィン垂直方向とで同じことを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
A power semiconductor module having at least a power semiconductor element for switching a current, an insulating substrate with a circuit pattern for bonding the power semiconductor element, and a metal base for bonding the insulating substrate,
On the surface opposite to the insulating substrate bonding surface of the metal base, there are linear fins in a region below the insulating substrate, and the rigidity of the finned metal base is the same in the fin direction and the fin vertical direction. Characteristic power semiconductor module structure.
請求項1,2,6又は7記載のいずれか1項のパワー半導体モジュールを含んでなるインバータ回路を有しモータ駆動を行うことを特徴とする自動車。An automobile, comprising an inverter circuit including the power semiconductor module according to any one of claims 1, 2, 6, and 7, and driving a motor. 請求項1記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板はアルミナ基板、前記金属ベースは銅ベース、又は、アルミベースであり、前記パワー半導体チップと前記アルミナ基板、前記アルミナ基板と前記銅ベース、又は、前記アルミベースは、各々はんだ接着されることを特徴とするパワー半導体モジュール。The power semiconductor module according to claim 1, wherein the insulating substrate is an alumina substrate, the metal base is a copper base, or an aluminum base, and the power semiconductor chip and the alumina substrate, the alumina substrate and the copper base, or A power semiconductor module, wherein each of the aluminum bases is bonded by soldering. 請求項2記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記直線型フィンは、前記絶縁基板の中央で分割されることを特徴とするパワー半導体モジュール。3. The power semiconductor module according to claim 2, wherein the linear fin is divided at a center of the insulating substrate. 請求項10記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記直線型フィンを分割する領域の幅は1mm以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。11. The power semiconductor module according to claim 10, wherein a width of a region dividing the linear fin is 1 mm or less. 請求項1記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記絶縁基板の形状は、前記直線型フィンのストライプ方向の長さが、垂直方向の長さよりも短いことを特徴とするパワー半導体モジュール。2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein in the shape of the insulating substrate, a length of the linear fin in a stripe direction is shorter than a length in a vertical direction. 3.
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