JP2004273479A - 放熱フィン付パワー半導体モジュール - Google Patents
放熱フィン付パワー半導体モジュール Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004273479A JP2004273479A JP2003057916A JP2003057916A JP2004273479A JP 2004273479 A JP2004273479 A JP 2004273479A JP 2003057916 A JP2003057916 A JP 2003057916A JP 2003057916 A JP2003057916 A JP 2003057916A JP 2004273479 A JP2004273479 A JP 2004273479A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power semiconductor
- bonding
- insulating substrate
- fin
- metal base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/191—Disposition
- H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
- H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
【課題】パワー半導体の金属ベースに直線型フィンを設ける構造において、低い製造コスト，高い放熱性，高信頼の構造を提供する。
【解決手段】パワー半導体素子、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板、該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において、該金属ベース底面の前記絶縁基板下の領域に、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属ベースよりも薄い金属板が接着され、いわゆるコルゲートフィンとなる。前記金属ベースと前記コルゲートフィンを接着するロー材の融点は、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板、及び、前記絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも低い。以上より、フィンの剛性が小さく、かつ、前記フィンの接着時に、絶縁基板下はんだは再溶融することはないパワー半導体モジュールを実現できる。
【選択図】 図１
【解決手段】パワー半導体素子、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板、該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において、該金属ベース底面の前記絶縁基板下の領域に、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属ベースよりも薄い金属板が接着され、いわゆるコルゲートフィンとなる。前記金属ベースと前記コルゲートフィンを接着するロー材の融点は、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板、及び、前記絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも低い。以上より、フィンの剛性が小さく、かつ、前記フィンの接着時に、絶縁基板下はんだは再溶融することはないパワー半導体モジュールを実現できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開２００２−３１４０３７号公報に記載されている様に、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であるにもかかわらず、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。また、特開平１１−１６３５７２号公報に記載されている様に、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る構造（直接水冷）も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３１４０３７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６３５７２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術で示した直接水冷用パワー半導体モジュールの構造は、冷却性能，信頼性、及び、製造コストの面で以下の問題がある。
【０００５】
冷却水との接触面積、つまり、伝熱面積を増大して、熱伝達を大幅に向上させるためには、フィンの高さはある程度大きく、例えば数ｍｍ以上としなければならない。また、フィン付金属ベースの材質は銅であることが望まれる。アルミニウムの場合、銅と比べて、熱伝導率が小さいため、放熱性能が低く、さらには、線膨張係数が大きい為、セラミック基板を接着するはんだ層の歪みが大きくなり、信頼性が低下する為である。
【０００６】
以上より、フィン付金属ベースは銅ベースであり、そのフィン高さも５ｍｍ程度であることが必要である。しかしながら、アルミニウムと異なり、銅の場合、押し出し加工は困難であり、圧延等の低製造コストで製造可能なフィン高さは１ｍｍ程度である。これでは、十分な冷却性能向上は実現できない。一方、冷却性能向上を優先して、フィン付銅ベースでフィン高さを数ｍｍ以上とする場合には、切削加工，鍛造等の高コストな製造方法が必要である。つまり、現状、大幅な熱伝達向上と、低い製造コストの両立は達成できていない。
【０００７】
さらには、銅ベースにフィンが形製されている場合、セラミック基板を接着するはんだ層のボイド等を検査できない。セラミック基板下はんだ層の品質を確保することは、高信頼を確保するためには必須である。また、切削加工，鍛造、いずれの方法でもフィンの幅は小さくすることは困難である。切削時間が膨大になるため切削加工はコスト的に現実的でない、または、フィン強度が小さくなるため鍛造は困難な為である。すなわち、従来のフィン付銅ベースではフィンによるベースの剛性増大は避けられない。このことは、セラミック基板下はんだ層の歪み増大をもたらす。以上より、従来のフィン付銅ベースを有するパワー半導体モジュールの高信頼を確立することは困難であった。
【０００８】
上記問題点を鑑みて、本発明は、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設けて低熱抵抗化を図る構造において、低い製造コスト、及び、高信頼性と大幅な熱伝達向上を実現できるパワー半導体モジュールを提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明では、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板と、該回路パターン付絶縁基板を接着する金属ベースを有し、該金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面の前記絶縁基板に対応する領域に、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属板が接着され、該折り曲げられた金属板がフィンとなるパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材として、前記パワー半導体素子と前記回路パターン付絶縁基板、及び、前記回路パターン付絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも低いロー材を用いるものである。
【００１０】
つまり、フィンを形成する波型に折り曲げられた金属板は、例えば共晶はんだのような低融点はんだで金属ベースにはんだ接着されている。一方、回路パターン付絶縁基板は、共晶はんだよりも高い融点を有するはんだで接着されている。
この様な構造とすることで、いわゆるコルゲートフィンは、回路パターン付絶縁基板をはんだ接着後に形成することができる。つまり、コルゲートフィンをはんだ接着する際に、回路パターン付絶縁基板下のはんだ層の再溶融を避けることができる。このことは、再溶融によるはんだボイドの誘発等を避けられることを意味する。また、はんだ層を検査できる為に高信頼、かつ、製造コストも低い構造を実現できる。さらには、波型に折り曲げられた金属板の板厚は容易に薄くすることができるため、従来のフィンと異なり、剛性を容易に低減できる為、セラミック基板接着はんだ層の歪みを低減でき、高寿命化も実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１，図２，図３を使用して第一の実施例について詳細に説明する。定格電圧／電流＝６００Ｖ／４００Ａクラスの直接水冷型コルゲートフィン付銅ベースを有する３相ＩＧＢＴモジュールの実施例である。
【００１３】
図２（ａ）はモジュール内観の平面模式図であり、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１２，ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ
１７等をはんだ接着した銅貼り窒化アルミ基板１４，主端子ワイヤボンディングパッド２２（主端子用電極パッド），補助エミッタワイヤボンディングパッド
２５（制御端子用電極パッド）等のみを表している。図２（ｂ）は同図（ａ）のＡＡ断面模式図である。断面模式図において、窒化アルミ基板１４表面の銅製回路パターン、及び、はんだ接着用の裏面銅パターン、さらに、半導体チップと窒化アルミ基板１４の銅製回路パターン，窒化アルミ基板１４と銅ベース１２の接着はんだ層は省略している。
【００１４】
窒化アルミ基板１４の大きさは２．６ｃｍ×５ｃｍ で、チップサイズ１１ｍｍ□の
ＩＧＢＴチップ１６，チップサイズ６ｍｍ×９ｍｍのＦＷＤチップ１７各２チップが、融点３００℃以上の高融点はんだ１５（高温はんだ）（図１参照）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１４には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗チップ２７，温度検出用サーミスタ２６がはんだ接着されている。ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７と窒化アルミ基板１４上銅パターン（エミッタ配線用銅パターン２１０，ゲート配線用銅パターン２８）との接続は、アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１，ＩＧＢＴゲートワイヤ２０）で行う。本ワイヤの線経は３００μｍφである。アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１）は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。パワー半導体搭載窒化アルミ基板１４と銅ベース１２は、融点２４０℃程度のはんだ１３（図１参照）で接着されている。はんだ膜厚は約０．１５ｍｍ である。このはんだ層については、後で詳述する。窒化アルミ基板１４と主端子ワイヤボンディングパッド２２，補助エミッタワイヤボンディングパッド２５との接続も同じくアルミワイヤ１８，補助エミッタワイヤ２３で行われる。このワイヤの線経は５００μｍφである。
アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１，ＩＧＢＴゲートワイヤ２０）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１８，補助エミッタワイヤ２３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。アルミワイヤ１８は、各接続において２０本としている。３相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板１４から構成され、合計６枚の窒化アルミ基板１４が大きさ１０ｃｍ×２３ｃｍ、銅ベース厚さ２１２が３ｍｍの銅ベース１２にはんだ接着されている。
【００１５】
図１は、図２のＢＢ断面模式図である。本図では、図２では省略したモジュールケース１２０，モジュール内部を封止するシリコーンゲル１９，モジュール蓋１２４，ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７，接着用の高融点はんだ１５，窒化アルミ基板１４，接着用のはんだ１３等も表現している。但し、ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７上のアルミワイヤは省略している。主端子１２２をインサート成型したインサートケース１２０を使用している。４００Ａという大電流を通電するモジュールであるため、主端子１２２への主配線取付けはボルト締めとするため、主配線取付けボルト用ナット１２１（Ｍ６ナット），主配線取付けボルト用空隙１２３（ボルト逃げ用空隙）が設けられている。
【００１６】
コルゲートフィンを形製する波形に折り曲げられたコルゲートフィン１０の厚さ１２５は１ｍｍで、フィン間隔１２７，１２８は２ｍｍ、折り曲げ高さ１２６は４ｍｍである。これらの寸法は、冷却水を流したときの流速、及び、フィン効率を考慮し、概略最大の熱伝達を実現できる形状とした。このコルゲートフィン１０は、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）の重量組成比（ｗｔ％）４０／６０％の低融点はんだ
１１で銅ベース１２に接着されている。このはんだの融点は１９０℃程度である。尚、図１及び図２（ｂ）では、低融点はんだ１１厚さは誇張して表現しているが、はんだ膜厚は０．１ｍｍ 程度である。低融点はんだ１１層の厚さは、安定して接着可能な限り、薄いことが望まれる。はんだ層の熱抵抗を小さくするためである。前述の窒化アルミ基板１４を接着するはんだ１３はＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％のはんだであり、融点は前述の通り、２４０℃程度である。従って、コルゲートフィン１０を接着する際に再溶融することはない。つまり、再溶融によるはんだボイド発生等を懸念する必要なく、信頼性的に問題無い。ＩＧＢＴ，ＦＷＤチップ１６，１７を接着するはんだの融点は前述のように、さらに高いために同じく再溶融することはない。コルゲートフィン１０（フィン部を構成する銅板）の長手方向長さ２１３は１７ｃｍであり、概略６枚の窒化アルミ基板１４下領域全域に接着されている。
【００１７】
本モジュールに、水路カバーを取付けた場合の実施例を図３に示す。図２（ａ）のＣＣ断面模式図にアルミダイカスト製の水冷ジャケット３４（水路カバー）を取付けた場合の模式図を示している。制御端子用パッド２５は省略している。コルゲートフィン１０の底面にＡｌダイカスト製の水冷ジャケット３４（水路カバー）を接触させて水路を構成している。水路全体の幅は５ｃｍである。水冷ジャケット３４をコルゲートフィン１０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。形製される冷却水路
３１，３２の形状は、高さ４ｍｍ，幅２ｍｍであり、流路の本数は、両端の２本を含めて、１７本である。冷却水のシールは、水冷ジャケット３４の取付けをＯリング３３で行って実施している。Ｏリング取付け用に、水冷ジャケット３４に溝
３６を設けている。Ｏリング３３の線径は１．９ｍｍφ、溝３６の深さは１．４ｍｍである。また、モジュールはモジュール取付けボルト３５で取付け、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付けトルクと同程度である。
【００１８】
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 で通流し、冷却性能、及び、圧力損失を測定した。上記冷却流路構造より、冷却水の平均流速は、２．４ｍ／ｓ である。
【００１９】
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）を測定した。結果、冷却水温度６０℃の場合、１アーム当たり０．１２Ｋ／Ｗ となった。参考のため、コルゲートフィン１０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３．３ｍ／ｓ である。
結果、同じく１アーム当たりＲｔｈ（ｊ−ｗ）＝０．１６Ｋ／Ｗ であった。つまり、フィンを形製することで、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１２にフィンを付与することによる剛性増大が、窒化アルミ基板１４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。本実施例の場合、フィン厚さは１ｍｍであり、銅ベース１２の剛性を顕著に増大させることはなく、大幅な寿命向上が図れる。
【００２０】
（実施例２）
第二の実施例を、図４を使用して説明する。図４は、図１と同様に、断面構造模式図を示している。
【００２１】
実施例１と本実施例の違いは、コルゲートフィン４０の形状である。前述のように、フィンを形製する銅板の板厚は、冷却性能を低下させない範囲で薄い方が望まれる。フィンの剛性を下げて、セラミック基板下はんだ層の歪み増大を小さくするためである。本実施例では、波形に折り曲げられたコルゲートフィン４０の板厚１２５は０．５ｍｍ と実施例１の半分としている。つまり、実施例１よりも、さらに剛性低減を図った実施例である。フィン間隔１２８，１２７は実施例１と同じ２ｍｍである。フィン間隔１２７，１２８は圧力損失を決定する重要なパラメータであり、もちろん間隔を小さくすれば冷却性能は向上するが、圧力損失も増大してしまい、許容する事はできない。折り曲げ高さ１２６は３ｍｍとした。本高さは、板厚１２５、つまり、フィン幅，フィン間隔１２７，１２８（ライン部を構成する銅板の折り曲げ間隔）、冷却水流量からフィン効率を計算し、概略最大となる値とした。コルゲートフィン部の幅は５２ｍｍである。
【００２２】
フィン部全体を実施例１と同様に水路カバーで覆い、流路を形製し、
Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失を測定した。形製された流路の本数は、コルゲートフィン４０の板厚１２５が薄くなったために実施例１よりも増大し、２１本である。冷却水温度６０℃，流量２０Ｌ／ｍｉｎ の場合、平均流速は２．６ｍ／ｓ であり、１アーム当たりＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０．１２Ｋ／Ｗ 、圧力損失は９．５ｋＰａ であった。フィン効率は実施例１と同程度であるためＲｔｈ（ｊ−ｗ）は等しく、圧力損失はフィン高さが減少し、水力直径が減少したため、わずかに上昇した。
【００２３】
（実施例３）
第三の実施例を、図５を使用して説明する。図５は、水路カバーを含めて、これまでと同様に、断面構造模式図を示している。
【００２４】
パワー半導体モジュールにおいて、モジュールの中央部は各ＩＧＢＴ，ＦＷＤチップからの熱が干渉するため、より高温となる。従って、モジュールの中央部の放熱性能を高め、より発熱が干渉しない両端については、放熱性能を高める必要がない。本実施例は、この考えを実現するための実施例である。実施例１，２では、コルゲートフィンを構成する銅板の折り曲げ形状は、モジュール中で均一であった。しかしながら、本実施例では、折り曲げ高さ１２６をモジュール中央で高くし、両端で低くしている。本構造で、伝熱面積は、中央部で大きく、両端で小さな構造となる。
【００２５】
コルゲートフィン５１の板厚は０．５ｍｍ 、モジュール冷却内水路５３，５４を形成するフィンの折り曲げ間隔は２ｍｍである。折り曲げ高さ１２６はモジュール端から中央部へ向かって、１，２，３，４，５ｍｍと高くなっている。水冷ジャケット５０もこのフィン形状に合うような階段型の形状としている。例えば、水路カバーの形状を深さ５ｍｍ一定とすると、両端の流路抵抗が小さくなるため流れが集中し、中央部に流れにくくなる。すなわち、流れの偏流等が生じ、冷却性能の低下をもたらすためである。また、冷却性能を向上させるためには、伝熱面積の増大も重要であるが、同様に熱伝達率の向上も重要である。従って、冷却水の高流速にも配慮しなければならない。本実施例では平均折り曲げ高さを実施例３と等しく、つまり３ｍｍになるようにしている。
【００２６】
冷却水温度６０℃，流量２０Ｌ／ｍｉｎの場合、平均流速は２．６ｍ／ｓであり、実施例２と同じである。１アーム当たりのＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０．１１Ｋ／Ｗ と実施例２と比べてわずかではあるが低減することができた。圧力損失は１０ｋＰａとわずかに大きくなるものの、実施例２と同等であった。
【００２７】
（実施例４）
第四の実施例を、図６を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００２８】
これまでの実施例は、コルゲートフィンを形製する銅板の折り曲げ形状は直角としていた。しかしながら、製造コストを考慮すると、直角折り曲げは回避し、折り曲げ部個々の形状は、山型に折り曲げることが望まれる。波形に折り曲げられたコルゲートフィン７０の板厚１２５，折り曲げ高さ１２６は、各々０．５ｍｍ ，３ｍｍである。高さ３ｍｍは、前述の通り、板厚０．５ｍｍ の時の最適高さである。
折り曲げ形状は、コルゲートフィン７０先端の間隔７２は１ｍｍ、コルゲートフィン７０の根本の間隔は３ｍｍとした。この寸法で、一本の水路の断面積は実施例２と同じ６ｍｍ２ であり、平均流速は実施例２と同様にできた。結果、冷却水条件を、６０℃，２０Ｌ／ｍｉｎ とすると、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失とも実施例２とほぼ同じ値となった。
【００２９】
（実施例５）
第五の実施例を、図７を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００３０】
自動車用インバータは、駆動用，発電用の２モータ制御に対応した、２インバータが一般的である。つまり、インバータを構成するＩＧＢＴモジュールは、駆動用，発電用の２セット必要である。本実施例は、２モータ用インバータを、実装面積縮小を考慮した場合の実施例である。ＩＧＢＴモジュールを水冷する場合、空冷と異なり、冷却フィンの高さは、これまで述べて来たように、高々数ｍｍである。従って、冷却フィンの両サイドにＩＧＢＴモジュールを実装しても、インダクタンスが顕著に増大してしまう、等問題が発生することはなく、電気的な結線は可能である。図７において、コルゲートフィン８０の形状は図１に示す実施例１の場合と同一である。また、このコルゲートフィン８０をＰｂ−Ｓｎ共晶低融点はんだ８１，８２で銅ベース１２に接着することもこれまでの実施例と同様である。本構造で、コルゲートフィン８０の両面に配置されたＩＧＢＴモジュール８３，８４の発熱は、コルゲートフィン８０片面に配置された場合と同様に高効率で冷却される。すなわち、両者のＲｔｈ（ｊ−ｗ）は、これまでの実施例と同じ冷却水条件で１アーム当たり０．１２Ｋ／Ｗ と同程度であった。しかしながら、本実施例の場合、ＩＧＢＴモジュール８３，８４の駆動する電力が同程度の場合、発熱量は２倍となるため、冷却水温度の上昇も、片面実装の場合と比べて２倍となる。従って、ＩＧＢＴ最高温度の設計等には注意を払わなければならない。
【００３１】
（実施例６）
第六の実施例を、図９を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００３２】
これまでの実施例は、コルゲートフィンを形製する銅板の折り曲げ間隔は一定としていた。例えば、２ｍｍ一定である。この場合、コルゲートフィンを接着するはんだ層の形状は、幅／間隔＝３／２ｍｍで、しかも、長さ１７ｃｍであった。このような狭ピッチで長い領域のはんだ接着はむずかしい。
【００３３】
本実施例は、コルゲートフィンのはんだ接着を容易にするための実施例である。図９において、コルゲートフィン１００，低融点はんだ１０１以外は図４の場合と同一である。また、コルゲートフィン１００の板厚１２５は０．５ｍｍ 、折り曲げ高さ１２６は４ｍｍである。すなわち、フィン幅を０．５＋０．５＝１ｍｍと見なし、フィン幅１ｍｍの時の最適高さとした。フィン間隔１０２は冷却流路となる部分であり、これまで通り、２ｍｍとした。一方、フィン間隔１０３は冷却流路とならず、冷却に寄与しない部分であり、可能な限り狭いことが望まれる。本実施例では製造し易さも考慮して、０．５ｍｍ とした。低融点はんだ１０１の形状は、幅５５ｍｍ，長さ１７ｃｍであり、コルゲートフィン１００裏面全体をはんだ接着する。つまり、はんだはフィン間隔１０３の領域中へも流れ込むが、何ら問題無い。
むしろ、フィンのすきまを充填するイメージであり、わずかながらも、熱伝達向上に寄与する。このように、本実施例の場合、コルゲートフィンは一枚ものの低融点はんだ１０１で接着可能なため、組立性が飛躍的に向上できる。冷却性能は、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失とも実施例１とほぼ同じ値となった。
【００３４】
（実施例７）
これまでの実施例は、パワー半導体チップを搭載した窒化アルミ基板を銅ベースにはんだ接着した後に、コルゲートフィンを銅ベースに接着するため、基板接着はんだ層の融点は、コルゲートフィン接着はんだ層の融点よりも高い構造であった。この構造の利点は、基板接着時は銅ベースにフィンが形製されていないため、窒化アルミ基板下はんだ層の検査が可能であり、高品質なモジュールを実現可能なことであった。
【００３５】
しかしながら、組立し易さ、その他の理由から、窒化アルミ基板下はんだの検査を犠牲にしても、コルゲートフィンを銅ベースにはんだ接着した後に窒化アルミ基板を接着する構造も実現可能である。図８に断面構造模式図を示す本実施例は、このことを実現した実施例である。
【００３６】
低融点はんだ９０，はんだ９１を除いて、他のすべての構造は図１に示す構造と同一である。コルゲートフィン１０を銅ベース１２へ接着するはんだ層９１はＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％のはんだであり、前述の通り、融点は２４０℃程度である。一方、窒化アルミ基板下低融点はんだ９０はＰｂ／Ｓｎ＝４０／６０ｗｔ％であり、融点は１９０℃程度である。つまり、窒化アルミ基板接着時、コルゲートフィンを接着するはんだは溶融することなく、本構造で、コルゲートフィン１０を基板よりも先に接着する構造を実現できる。
【００３７】
以上説明した上記実施例において、波形に折り曲げた銅板を、窒化アルミ基板がはんだ接着されたモジュール銅ベースにはんだ接着することは、この銅板が、いわゆるコルゲートフィンの働きをする効果があり、冷却性能を大幅に増大させる効果がある。通常、銅ベースにフィンを形製することは、高い製造コストとなるが、本構造の場合、高さ数ｍｍ程度に折り曲げられた安価な銅板をはんだ接着するのみで良い為、製造コストの増大を抑制する効果がある。また、コルゲートフィンを構成する銅板の板厚は０．５ｍｍ 程度で十分であり、従来のフィンと異なり、モジュールベースの剛性を顕著に増大させないため、窒化アルミ基板下はんだ層の歪みを低減させるため、高寿命化させる効果もある。さらに、波形に折り曲げた銅板をモジュールベースに接着するはんだの融点を、窒化アルミ基板を接着するはんだの融点よりも低くすることは、フィンを形製する前に窒化アルミ基板下はんだの品質の検査を可能にする効果があり、ＩＧＢＴモジュールの高品質を確立できる効果がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば低い製造コスト、及び、高信頼性と大幅な熱伝達向上を実現できるパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構造を示す断面模式図。
【図２】本発明の一実施例の平面模式図（ａ）、及び、断面模式図（ｂ）。
【図３】本発明モジュールを水冷ジャケットに実装した実施例。
【図４】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図５】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図６】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図７】本発明の一実施例（両面実装の断面構造模式図）。
【図８】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図９】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【符号の説明】
１０，４０，５１，７０，８０，１００…コルゲートフィン、１１，４１，
５２，７１，８１，８２，９０，１０１…低融点はんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝４０／
６０ｗｔ％）、１２…銅ベース、１３，９１…はんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％）、１４…窒化アルミ基板、１５…高融点はんだ、１６…ＩＧＢＴチップ、１７…ＦＷＤチップ、１８…アルミワイヤ、１９…シリコーンゲル、２０…
ＩＧＢＴゲートワイヤ、２１…ＩＧＢＴエミッタワイヤ、２２…主端子ワイヤボンディングパッド、２３…補助エミッタワイヤ、２４…モジュール取付け穴、
２５…補助エミッタワイヤボンディングパッド、２６…サーミスタ、２７…ゲート抵抗チップ、２８…ゲート配線用銅パターン、２９…コレクタ配線用銅パターン、３１，３２，５３，５４…モジュール冷却用水路、３３…Ｏリング、３４，５０…水冷ジャケット、３５…モジュール取付けボルト、３６…Ｏリング用溝、６０…フィン付銅ベース、６１…フィン高さ、６２…フィン間隔、６３…フィン幅、６４…フィン、７２…フィン先端の折り曲げ間隔、７３…フィン根本の折り曲げ間隔、８３，８４…ＩＧＢＴモジュール、１０２，１０３，１２７，１２８…フィン間隔、１２０…モジュールケース、１２１…主配線取付けボルト用ナット、１２２…主端子、１２３…主配線取付けボルト用空隙、１２４…モジュール蓋、１２５…フィン部を構成する銅板の板厚、１２６…フィン部を構成する銅板の折り曲げ高さ、２１０…エミッタ配線用銅パターン、２１１…アノードワイヤ、２１２…銅ベース厚さ、２１３…フィン長手方向長さ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開２００２−３１４０３７号公報に記載されている様に、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であるにもかかわらず、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。また、特開平１１−１６３５７２号公報に記載されている様に、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る構造（直接水冷）も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３１４０３７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６３５７２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術で示した直接水冷用パワー半導体モジュールの構造は、冷却性能，信頼性、及び、製造コストの面で以下の問題がある。
【０００５】
冷却水との接触面積、つまり、伝熱面積を増大して、熱伝達を大幅に向上させるためには、フィンの高さはある程度大きく、例えば数ｍｍ以上としなければならない。また、フィン付金属ベースの材質は銅であることが望まれる。アルミニウムの場合、銅と比べて、熱伝導率が小さいため、放熱性能が低く、さらには、線膨張係数が大きい為、セラミック基板を接着するはんだ層の歪みが大きくなり、信頼性が低下する為である。
【０００６】
以上より、フィン付金属ベースは銅ベースであり、そのフィン高さも５ｍｍ程度であることが必要である。しかしながら、アルミニウムと異なり、銅の場合、押し出し加工は困難であり、圧延等の低製造コストで製造可能なフィン高さは１ｍｍ程度である。これでは、十分な冷却性能向上は実現できない。一方、冷却性能向上を優先して、フィン付銅ベースでフィン高さを数ｍｍ以上とする場合には、切削加工，鍛造等の高コストな製造方法が必要である。つまり、現状、大幅な熱伝達向上と、低い製造コストの両立は達成できていない。
【０００７】
さらには、銅ベースにフィンが形製されている場合、セラミック基板を接着するはんだ層のボイド等を検査できない。セラミック基板下はんだ層の品質を確保することは、高信頼を確保するためには必須である。また、切削加工，鍛造、いずれの方法でもフィンの幅は小さくすることは困難である。切削時間が膨大になるため切削加工はコスト的に現実的でない、または、フィン強度が小さくなるため鍛造は困難な為である。すなわち、従来のフィン付銅ベースではフィンによるベースの剛性増大は避けられない。このことは、セラミック基板下はんだ層の歪み増大をもたらす。以上より、従来のフィン付銅ベースを有するパワー半導体モジュールの高信頼を確立することは困難であった。
【０００８】
上記問題点を鑑みて、本発明は、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設けて低熱抵抗化を図る構造において、低い製造コスト、及び、高信頼性と大幅な熱伝達向上を実現できるパワー半導体モジュールを提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明では、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板と、該回路パターン付絶縁基板を接着する金属ベースを有し、該金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面の前記絶縁基板に対応する領域に、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属板が接着され、該折り曲げられた金属板がフィンとなるパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材として、前記パワー半導体素子と前記回路パターン付絶縁基板、及び、前記回路パターン付絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも低いロー材を用いるものである。
【００１０】
つまり、フィンを形成する波型に折り曲げられた金属板は、例えば共晶はんだのような低融点はんだで金属ベースにはんだ接着されている。一方、回路パターン付絶縁基板は、共晶はんだよりも高い融点を有するはんだで接着されている。
この様な構造とすることで、いわゆるコルゲートフィンは、回路パターン付絶縁基板をはんだ接着後に形成することができる。つまり、コルゲートフィンをはんだ接着する際に、回路パターン付絶縁基板下のはんだ層の再溶融を避けることができる。このことは、再溶融によるはんだボイドの誘発等を避けられることを意味する。また、はんだ層を検査できる為に高信頼、かつ、製造コストも低い構造を実現できる。さらには、波型に折り曲げられた金属板の板厚は容易に薄くすることができるため、従来のフィンと異なり、剛性を容易に低減できる為、セラミック基板接着はんだ層の歪みを低減でき、高寿命化も実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１，図２，図３を使用して第一の実施例について詳細に説明する。定格電圧／電流＝６００Ｖ／４００Ａクラスの直接水冷型コルゲートフィン付銅ベースを有する３相ＩＧＢＴモジュールの実施例である。
【００１３】
図２（ａ）はモジュール内観の平面模式図であり、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１２，ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ
１７等をはんだ接着した銅貼り窒化アルミ基板１４，主端子ワイヤボンディングパッド２２（主端子用電極パッド），補助エミッタワイヤボンディングパッド
２５（制御端子用電極パッド）等のみを表している。図２（ｂ）は同図（ａ）のＡＡ断面模式図である。断面模式図において、窒化アルミ基板１４表面の銅製回路パターン、及び、はんだ接着用の裏面銅パターン、さらに、半導体チップと窒化アルミ基板１４の銅製回路パターン，窒化アルミ基板１４と銅ベース１２の接着はんだ層は省略している。
【００１４】
窒化アルミ基板１４の大きさは２．６ｃｍ×５ｃｍ で、チップサイズ１１ｍｍ□の
ＩＧＢＴチップ１６，チップサイズ６ｍｍ×９ｍｍのＦＷＤチップ１７各２チップが、融点３００℃以上の高融点はんだ１５（高温はんだ）（図１参照）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１４には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗チップ２７，温度検出用サーミスタ２６がはんだ接着されている。ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７と窒化アルミ基板１４上銅パターン（エミッタ配線用銅パターン２１０，ゲート配線用銅パターン２８）との接続は、アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１，ＩＧＢＴゲートワイヤ２０）で行う。本ワイヤの線経は３００μｍφである。アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１）は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。パワー半導体搭載窒化アルミ基板１４と銅ベース１２は、融点２４０℃程度のはんだ１３（図１参照）で接着されている。はんだ膜厚は約０．１５ｍｍ である。このはんだ層については、後で詳述する。窒化アルミ基板１４と主端子ワイヤボンディングパッド２２，補助エミッタワイヤボンディングパッド２５との接続も同じくアルミワイヤ１８，補助エミッタワイヤ２３で行われる。このワイヤの線経は５００μｍφである。
アルミワイヤ（ＩＧＢＴエミッタワイヤ２１，アノードワイヤ２１１，ＩＧＢＴゲートワイヤ２０）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１８，補助エミッタワイヤ２３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。アルミワイヤ１８は、各接続において２０本としている。３相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板１４から構成され、合計６枚の窒化アルミ基板１４が大きさ１０ｃｍ×２３ｃｍ、銅ベース厚さ２１２が３ｍｍの銅ベース１２にはんだ接着されている。
【００１５】
図１は、図２のＢＢ断面模式図である。本図では、図２では省略したモジュールケース１２０，モジュール内部を封止するシリコーンゲル１９，モジュール蓋１２４，ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７，接着用の高融点はんだ１５，窒化アルミ基板１４，接着用のはんだ１３等も表現している。但し、ＩＧＢＴチップ１６，ＦＷＤチップ１７上のアルミワイヤは省略している。主端子１２２をインサート成型したインサートケース１２０を使用している。４００Ａという大電流を通電するモジュールであるため、主端子１２２への主配線取付けはボルト締めとするため、主配線取付けボルト用ナット１２１（Ｍ６ナット），主配線取付けボルト用空隙１２３（ボルト逃げ用空隙）が設けられている。
【００１６】
コルゲートフィンを形製する波形に折り曲げられたコルゲートフィン１０の厚さ１２５は１ｍｍで、フィン間隔１２７，１２８は２ｍｍ、折り曲げ高さ１２６は４ｍｍである。これらの寸法は、冷却水を流したときの流速、及び、フィン効率を考慮し、概略最大の熱伝達を実現できる形状とした。このコルゲートフィン１０は、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）の重量組成比（ｗｔ％）４０／６０％の低融点はんだ
１１で銅ベース１２に接着されている。このはんだの融点は１９０℃程度である。尚、図１及び図２（ｂ）では、低融点はんだ１１厚さは誇張して表現しているが、はんだ膜厚は０．１ｍｍ 程度である。低融点はんだ１１層の厚さは、安定して接着可能な限り、薄いことが望まれる。はんだ層の熱抵抗を小さくするためである。前述の窒化アルミ基板１４を接着するはんだ１３はＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％のはんだであり、融点は前述の通り、２４０℃程度である。従って、コルゲートフィン１０を接着する際に再溶融することはない。つまり、再溶融によるはんだボイド発生等を懸念する必要なく、信頼性的に問題無い。ＩＧＢＴ，ＦＷＤチップ１６，１７を接着するはんだの融点は前述のように、さらに高いために同じく再溶融することはない。コルゲートフィン１０（フィン部を構成する銅板）の長手方向長さ２１３は１７ｃｍであり、概略６枚の窒化アルミ基板１４下領域全域に接着されている。
【００１７】
本モジュールに、水路カバーを取付けた場合の実施例を図３に示す。図２（ａ）のＣＣ断面模式図にアルミダイカスト製の水冷ジャケット３４（水路カバー）を取付けた場合の模式図を示している。制御端子用パッド２５は省略している。コルゲートフィン１０の底面にＡｌダイカスト製の水冷ジャケット３４（水路カバー）を接触させて水路を構成している。水路全体の幅は５ｃｍである。水冷ジャケット３４をコルゲートフィン１０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。形製される冷却水路
３１，３２の形状は、高さ４ｍｍ，幅２ｍｍであり、流路の本数は、両端の２本を含めて、１７本である。冷却水のシールは、水冷ジャケット３４の取付けをＯリング３３で行って実施している。Ｏリング取付け用に、水冷ジャケット３４に溝
３６を設けている。Ｏリング３３の線径は１．９ｍｍφ、溝３６の深さは１．４ｍｍである。また、モジュールはモジュール取付けボルト３５で取付け、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付けトルクと同程度である。
【００１８】
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 で通流し、冷却性能、及び、圧力損失を測定した。上記冷却流路構造より、冷却水の平均流速は、２．４ｍ／ｓ である。
【００１９】
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）を測定した。結果、冷却水温度６０℃の場合、１アーム当たり０．１２Ｋ／Ｗ となった。参考のため、コルゲートフィン１０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３．３ｍ／ｓ である。
結果、同じく１アーム当たりＲｔｈ（ｊ−ｗ）＝０．１６Ｋ／Ｗ であった。つまり、フィンを形製することで、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１２にフィンを付与することによる剛性増大が、窒化アルミ基板１４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。本実施例の場合、フィン厚さは１ｍｍであり、銅ベース１２の剛性を顕著に増大させることはなく、大幅な寿命向上が図れる。
【００２０】
（実施例２）
第二の実施例を、図４を使用して説明する。図４は、図１と同様に、断面構造模式図を示している。
【００２１】
実施例１と本実施例の違いは、コルゲートフィン４０の形状である。前述のように、フィンを形製する銅板の板厚は、冷却性能を低下させない範囲で薄い方が望まれる。フィンの剛性を下げて、セラミック基板下はんだ層の歪み増大を小さくするためである。本実施例では、波形に折り曲げられたコルゲートフィン４０の板厚１２５は０．５ｍｍ と実施例１の半分としている。つまり、実施例１よりも、さらに剛性低減を図った実施例である。フィン間隔１２８，１２７は実施例１と同じ２ｍｍである。フィン間隔１２７，１２８は圧力損失を決定する重要なパラメータであり、もちろん間隔を小さくすれば冷却性能は向上するが、圧力損失も増大してしまい、許容する事はできない。折り曲げ高さ１２６は３ｍｍとした。本高さは、板厚１２５、つまり、フィン幅，フィン間隔１２７，１２８（ライン部を構成する銅板の折り曲げ間隔）、冷却水流量からフィン効率を計算し、概略最大となる値とした。コルゲートフィン部の幅は５２ｍｍである。
【００２２】
フィン部全体を実施例１と同様に水路カバーで覆い、流路を形製し、
Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失を測定した。形製された流路の本数は、コルゲートフィン４０の板厚１２５が薄くなったために実施例１よりも増大し、２１本である。冷却水温度６０℃，流量２０Ｌ／ｍｉｎ の場合、平均流速は２．６ｍ／ｓ であり、１アーム当たりＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０．１２Ｋ／Ｗ 、圧力損失は９．５ｋＰａ であった。フィン効率は実施例１と同程度であるためＲｔｈ（ｊ−ｗ）は等しく、圧力損失はフィン高さが減少し、水力直径が減少したため、わずかに上昇した。
【００２３】
（実施例３）
第三の実施例を、図５を使用して説明する。図５は、水路カバーを含めて、これまでと同様に、断面構造模式図を示している。
【００２４】
パワー半導体モジュールにおいて、モジュールの中央部は各ＩＧＢＴ，ＦＷＤチップからの熱が干渉するため、より高温となる。従って、モジュールの中央部の放熱性能を高め、より発熱が干渉しない両端については、放熱性能を高める必要がない。本実施例は、この考えを実現するための実施例である。実施例１，２では、コルゲートフィンを構成する銅板の折り曲げ形状は、モジュール中で均一であった。しかしながら、本実施例では、折り曲げ高さ１２６をモジュール中央で高くし、両端で低くしている。本構造で、伝熱面積は、中央部で大きく、両端で小さな構造となる。
【００２５】
コルゲートフィン５１の板厚は０．５ｍｍ 、モジュール冷却内水路５３，５４を形成するフィンの折り曲げ間隔は２ｍｍである。折り曲げ高さ１２６はモジュール端から中央部へ向かって、１，２，３，４，５ｍｍと高くなっている。水冷ジャケット５０もこのフィン形状に合うような階段型の形状としている。例えば、水路カバーの形状を深さ５ｍｍ一定とすると、両端の流路抵抗が小さくなるため流れが集中し、中央部に流れにくくなる。すなわち、流れの偏流等が生じ、冷却性能の低下をもたらすためである。また、冷却性能を向上させるためには、伝熱面積の増大も重要であるが、同様に熱伝達率の向上も重要である。従って、冷却水の高流速にも配慮しなければならない。本実施例では平均折り曲げ高さを実施例３と等しく、つまり３ｍｍになるようにしている。
【００２６】
冷却水温度６０℃，流量２０Ｌ／ｍｉｎの場合、平均流速は２．６ｍ／ｓであり、実施例２と同じである。１アーム当たりのＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０．１１Ｋ／Ｗ と実施例２と比べてわずかではあるが低減することができた。圧力損失は１０ｋＰａとわずかに大きくなるものの、実施例２と同等であった。
【００２７】
（実施例４）
第四の実施例を、図６を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００２８】
これまでの実施例は、コルゲートフィンを形製する銅板の折り曲げ形状は直角としていた。しかしながら、製造コストを考慮すると、直角折り曲げは回避し、折り曲げ部個々の形状は、山型に折り曲げることが望まれる。波形に折り曲げられたコルゲートフィン７０の板厚１２５，折り曲げ高さ１２６は、各々０．５ｍｍ ，３ｍｍである。高さ３ｍｍは、前述の通り、板厚０．５ｍｍ の時の最適高さである。
折り曲げ形状は、コルゲートフィン７０先端の間隔７２は１ｍｍ、コルゲートフィン７０の根本の間隔は３ｍｍとした。この寸法で、一本の水路の断面積は実施例２と同じ６ｍｍ２ であり、平均流速は実施例２と同様にできた。結果、冷却水条件を、６０℃，２０Ｌ／ｍｉｎ とすると、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失とも実施例２とほぼ同じ値となった。
【００２９】
（実施例５）
第五の実施例を、図７を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００３０】
自動車用インバータは、駆動用，発電用の２モータ制御に対応した、２インバータが一般的である。つまり、インバータを構成するＩＧＢＴモジュールは、駆動用，発電用の２セット必要である。本実施例は、２モータ用インバータを、実装面積縮小を考慮した場合の実施例である。ＩＧＢＴモジュールを水冷する場合、空冷と異なり、冷却フィンの高さは、これまで述べて来たように、高々数ｍｍである。従って、冷却フィンの両サイドにＩＧＢＴモジュールを実装しても、インダクタンスが顕著に増大してしまう、等問題が発生することはなく、電気的な結線は可能である。図７において、コルゲートフィン８０の形状は図１に示す実施例１の場合と同一である。また、このコルゲートフィン８０をＰｂ−Ｓｎ共晶低融点はんだ８１，８２で銅ベース１２に接着することもこれまでの実施例と同様である。本構造で、コルゲートフィン８０の両面に配置されたＩＧＢＴモジュール８３，８４の発熱は、コルゲートフィン８０片面に配置された場合と同様に高効率で冷却される。すなわち、両者のＲｔｈ（ｊ−ｗ）は、これまでの実施例と同じ冷却水条件で１アーム当たり０．１２Ｋ／Ｗ と同程度であった。しかしながら、本実施例の場合、ＩＧＢＴモジュール８３，８４の駆動する電力が同程度の場合、発熱量は２倍となるため、冷却水温度の上昇も、片面実装の場合と比べて２倍となる。従って、ＩＧＢＴ最高温度の設計等には注意を払わなければならない。
【００３１】
（実施例６）
第六の実施例を、図９を使用して説明する。これまでと同様に断面構造模式図を示している。
【００３２】
これまでの実施例は、コルゲートフィンを形製する銅板の折り曲げ間隔は一定としていた。例えば、２ｍｍ一定である。この場合、コルゲートフィンを接着するはんだ層の形状は、幅／間隔＝３／２ｍｍで、しかも、長さ１７ｃｍであった。このような狭ピッチで長い領域のはんだ接着はむずかしい。
【００３３】
本実施例は、コルゲートフィンのはんだ接着を容易にするための実施例である。図９において、コルゲートフィン１００，低融点はんだ１０１以外は図４の場合と同一である。また、コルゲートフィン１００の板厚１２５は０．５ｍｍ 、折り曲げ高さ１２６は４ｍｍである。すなわち、フィン幅を０．５＋０．５＝１ｍｍと見なし、フィン幅１ｍｍの時の最適高さとした。フィン間隔１０２は冷却流路となる部分であり、これまで通り、２ｍｍとした。一方、フィン間隔１０３は冷却流路とならず、冷却に寄与しない部分であり、可能な限り狭いことが望まれる。本実施例では製造し易さも考慮して、０．５ｍｍ とした。低融点はんだ１０１の形状は、幅５５ｍｍ，長さ１７ｃｍであり、コルゲートフィン１００裏面全体をはんだ接着する。つまり、はんだはフィン間隔１０３の領域中へも流れ込むが、何ら問題無い。
むしろ、フィンのすきまを充填するイメージであり、わずかながらも、熱伝達向上に寄与する。このように、本実施例の場合、コルゲートフィンは一枚ものの低融点はんだ１０１で接着可能なため、組立性が飛躍的に向上できる。冷却性能は、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失とも実施例１とほぼ同じ値となった。
【００３４】
（実施例７）
これまでの実施例は、パワー半導体チップを搭載した窒化アルミ基板を銅ベースにはんだ接着した後に、コルゲートフィンを銅ベースに接着するため、基板接着はんだ層の融点は、コルゲートフィン接着はんだ層の融点よりも高い構造であった。この構造の利点は、基板接着時は銅ベースにフィンが形製されていないため、窒化アルミ基板下はんだ層の検査が可能であり、高品質なモジュールを実現可能なことであった。
【００３５】
しかしながら、組立し易さ、その他の理由から、窒化アルミ基板下はんだの検査を犠牲にしても、コルゲートフィンを銅ベースにはんだ接着した後に窒化アルミ基板を接着する構造も実現可能である。図８に断面構造模式図を示す本実施例は、このことを実現した実施例である。
【００３６】
低融点はんだ９０，はんだ９１を除いて、他のすべての構造は図１に示す構造と同一である。コルゲートフィン１０を銅ベース１２へ接着するはんだ層９１はＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％のはんだであり、前述の通り、融点は２４０℃程度である。一方、窒化アルミ基板下低融点はんだ９０はＰｂ／Ｓｎ＝４０／６０ｗｔ％であり、融点は１９０℃程度である。つまり、窒化アルミ基板接着時、コルゲートフィンを接着するはんだは溶融することなく、本構造で、コルゲートフィン１０を基板よりも先に接着する構造を実現できる。
【００３７】
以上説明した上記実施例において、波形に折り曲げた銅板を、窒化アルミ基板がはんだ接着されたモジュール銅ベースにはんだ接着することは、この銅板が、いわゆるコルゲートフィンの働きをする効果があり、冷却性能を大幅に増大させる効果がある。通常、銅ベースにフィンを形製することは、高い製造コストとなるが、本構造の場合、高さ数ｍｍ程度に折り曲げられた安価な銅板をはんだ接着するのみで良い為、製造コストの増大を抑制する効果がある。また、コルゲートフィンを構成する銅板の板厚は０．５ｍｍ 程度で十分であり、従来のフィンと異なり、モジュールベースの剛性を顕著に増大させないため、窒化アルミ基板下はんだ層の歪みを低減させるため、高寿命化させる効果もある。さらに、波形に折り曲げた銅板をモジュールベースに接着するはんだの融点を、窒化アルミ基板を接着するはんだの融点よりも低くすることは、フィンを形製する前に窒化アルミ基板下はんだの品質の検査を可能にする効果があり、ＩＧＢＴモジュールの高品質を確立できる効果がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば低い製造コスト、及び、高信頼性と大幅な熱伝達向上を実現できるパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構造を示す断面模式図。
【図２】本発明の一実施例の平面模式図（ａ）、及び、断面模式図（ｂ）。
【図３】本発明モジュールを水冷ジャケットに実装した実施例。
【図４】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図５】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図６】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図７】本発明の一実施例（両面実装の断面構造模式図）。
【図８】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【図９】本発明の一実施例の断面構造模式図。
【符号の説明】
１０，４０，５１，７０，８０，１００…コルゲートフィン、１１，４１，
５２，７１，８１，８２，９０，１０１…低融点はんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝４０／
６０ｗｔ％）、１２…銅ベース、１３，９１…はんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝６０／４０ｗｔ％）、１４…窒化アルミ基板、１５…高融点はんだ、１６…ＩＧＢＴチップ、１７…ＦＷＤチップ、１８…アルミワイヤ、１９…シリコーンゲル、２０…
ＩＧＢＴゲートワイヤ、２１…ＩＧＢＴエミッタワイヤ、２２…主端子ワイヤボンディングパッド、２３…補助エミッタワイヤ、２４…モジュール取付け穴、
２５…補助エミッタワイヤボンディングパッド、２６…サーミスタ、２７…ゲート抵抗チップ、２８…ゲート配線用銅パターン、２９…コレクタ配線用銅パターン、３１，３２，５３，５４…モジュール冷却用水路、３３…Ｏリング、３４，５０…水冷ジャケット、３５…モジュール取付けボルト、３６…Ｏリング用溝、６０…フィン付銅ベース、６１…フィン高さ、６２…フィン間隔、６３…フィン幅、６４…フィン、７２…フィン先端の折り曲げ間隔、７３…フィン根本の折り曲げ間隔、８３，８４…ＩＧＢＴモジュール、１０２，１０３，１２７，１２８…フィン間隔、１２０…モジュールケース、１２１…主配線取付けボルト用ナット、１２２…主端子、１２３…主配線取付けボルト用空隙、１２４…モジュール蓋、１２５…フィン部を構成する銅板の板厚、１２６…フィン部を構成する銅板の折り曲げ高さ、２１０…エミッタ配線用銅パターン、２１１…アノードワイヤ、２１２…銅ベース厚さ、２１３…フィン長手方向長さ。
Claims (11)
- 電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板と、該回路パターン付絶縁基板を接着する金属ベースを有し、該金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面の前記絶縁基板に対応する領域に、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属板が接着され、該折り曲げられた金属板がフィンとなるパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材として、前記パワー半導体素子と前記回路パターン付絶縁基板、及び、前記回路パターン付絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも低いロー材を用いたことを特徴としたパワー半導体モジュール。 - 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベース、及び、前記フィンを構成する金属板の材質は銅であり、前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材の材質は鉛と錫を主成分とするはんだであることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベースと前記回路パターン付絶縁基板を接着する第１のはんだと、前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着する第２のはんだ中の鉛と錫の割合の大小が、前記第１のはんだと前記第２のはんだとで逆転していることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベースの表面はニッケルメッキ処理されていることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記フィンを構成する金属板の折り曲げ高さは、フィンストライプと垂直方向で、前記金属ベースの中央部で高く、両端に向かって小さくなることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記フィンを構成する金属板は、折り曲げ部の間隔が、先端に向かって狭くなることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記フィンを構成する金属板の板厚は、前記金属ベースの板厚の１／３以下であることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記フィンを構成する金属板の両側に前記金属ベースを接着し、前記フィンを構成する金属板の両面に配置されたパワー半導体チップの放熱を行うことを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記フィンを構成する金属板の折り曲げ間隔は大小２種類存在し、小さい間隔の隣同士の金属板はフィンとなり、大きい間隔の領域は冷却水が通流する領域となるように前記金属ベースへ接着されることを特徴としたパワー半導体モジュール。
- 電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板と、該絶縁基板を接着する金属ベースを有し、該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、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属板が接着され、該金属板がフィンとなるパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材と、前記回路パターン付絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材は、同じ主成分からなることを特徴としたパワー半導体モジュール。 - 電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板と、該絶縁基板を接着する金属ベースを有し、該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、断面が凸凹になるように折り曲げられた金属板が接着され、該金属板がフィンとなるパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属ベースと前記フィンを構成する金属板を接着するロー材の融点は、前記回路パターン付絶縁基板と前記金属ベースを接着するロー材の融点よりも高いことを特徴としたパワー半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003057916A JP2004273479A (ja) | 2003-03-05 | 2003-03-05 | 放熱フィン付パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003057916A JP2004273479A (ja) | 2003-03-05 | 2003-03-05 | 放熱フィン付パワー半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004273479A true JP2004273479A (ja) | 2004-09-30 |
Family
ID=33121163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003057916A Pending JP2004273479A (ja) | 2003-03-05 | 2003-03-05 | 放熱フィン付パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004273479A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006310486A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Toyota Industries Corp | 絶縁回路基板及びパワーモジュール用基板 |
| JP2008078375A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Denso Corp | Ｍｏｓ型パワー素子を有する半導体装置およびそれを備えた点火装置 |
| KR100944373B1 (ko) * | 2009-03-21 | 2010-02-26 | 알프테크주식회사 | 방열판 및 이를 이용한 적층식 방열판 |
| JP2012015167A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Denso Corp | 半導体モジュールおよびその製造方法 |
| JP2014056982A (ja) * | 2012-09-13 | 2014-03-27 | Mitsubishi Electric Corp | パワー半導体装置およびその製造方法 |
| CN107527892A (zh) * | 2016-06-22 | 2017-12-29 | 富士电机株式会社 | 半导体装置及半导体装置的制造方法 |
-
2003
- 2003-03-05 JP JP2003057916A patent/JP2004273479A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006310486A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Toyota Industries Corp | 絶縁回路基板及びパワーモジュール用基板 |
| WO2006118031A1 (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | 絶縁回路基板及びパワーモジュール用基板 |
| JP4729336B2 (ja) * | 2005-04-27 | 2011-07-20 | 株式会社豊田自動織機 | パワーモジュール用基板 |
| JP2008078375A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Denso Corp | Ｍｏｓ型パワー素子を有する半導体装置およびそれを備えた点火装置 |
| KR100944373B1 (ko) * | 2009-03-21 | 2010-02-26 | 알프테크주식회사 | 방열판 및 이를 이용한 적층식 방열판 |
| JP2012015167A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Denso Corp | 半導体モジュールおよびその製造方法 |
| JP2014056982A (ja) * | 2012-09-13 | 2014-03-27 | Mitsubishi Electric Corp | パワー半導体装置およびその製造方法 |
| CN107527892A (zh) * | 2016-06-22 | 2017-12-29 | 富士电机株式会社 | 半导体装置及半导体装置的制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7204770B2 (ja) | 両面冷却型パワーモジュールおよびその製造方法 | |
| JP6234630B2 (ja) | パワーモジュール | |
| JP4902560B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
| WO2015033724A1 (ja) | 電力用半導体モジュール | |
| US20090321924A1 (en) | Power Semiconductor Module | |
| US20090194862A1 (en) | Semiconductor module and method of manufacturing the same | |
| JP2008124430A (ja) | パワー半導体モジュール | |
| JP5217884B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP3556175B2 (ja) | 半導体モジュール及び電力変換装置 | |
| JP5538653B2 (ja) | ヒートシンクおよび当該ヒートシンクを備えた半導体装置 | |
| JP2007184525A (ja) | 電子機器装置 | |
| JP5895220B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| JP3646665B2 (ja) | インバータ装置 | |
| JP4015060B2 (ja) | 直接水冷型パワー半導体モジュール構造 | |
| CN113557603B (zh) | 半导体装置 | |
| JP4626082B2 (ja) | 冷却水路を備えた電気装置 | |
| JP2004273479A (ja) | 放熱フィン付パワー半導体モジュール | |
| JP4816501B2 (ja) | パワー半導体モジュール及びインバータ | |
| JP6777148B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2006190728A (ja) | 電力用半導体装置 | |
| JP4063091B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
| JP2002314037A (ja) | パワー半導体モジュール | |
| JP2006004961A (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2010062491A (ja) | 半導体装置および複合半導体装置 | |
| JP5164793B2 (ja) | 電力用半導体装置 |