JP2005072104A - パワーモジュールの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー素子の発する熱の放熱効率を上げることができるパワーモジュールの放熱構造を提供する。
【解決手段】ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱は、リード１４、パッドＰ３を介して基板１０の表面から裏面に貫通形成したビアホール２０により、裏面側の金属膜２２に伝わる。この結果、金属膜２２に伝わった熱は、金属膜２２にて放熱される。又、パッドＰ３においても、ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱が放熱される。このため、広い面積で放熱されるため、放熱効率がよくなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パワーモジュールの放熱構造に関する。

従来から、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を備えたパワーモジュールでは、パワー素子を取り付けている基板に高い放熱性が要求されている。仮に放熱が不十分であると、パワー素子の温度が上昇して電流制御が不調になり、信頼性を損なう場合もある。従来のパワーモジュールの放熱構造を図５を参照して説明する。同図に示すように基板５０には、パワー素子としてＭＯＳＦＥＴ５１が固定されている。ＭＯＳＦＥＴ５１のソース端子と、ゲート端子は、基板５０に設けられたパッドＰ１，Ｐ２に対してリード５２，５３を介して電気的に接続されている。又、ＭＯＳＦＥＴ５１のドレイン端子は、リード５４を介して、基板５０に設けられたパッドＰ３に対して電気的に接続されている。なお、前記パッドＰ１〜Ｐ３は、基板５０の図示しない配線パターンに電気的に接続されている。そして、パッドＰ３は基板５０のＭＯＳＦＥＴ５１に対応する領域を含むように形成されるととともに、基板５０に対して前記パッドＰ１，Ｐ２よりも面積が広くされることにより、放熱部とされている。すなわち、この放熱部によって、パワー素子が発した熱を基板５０から放熱するようにしている。

ところで、放熱効率を上げるためには、放熱面積が広いほどよい。しかし、従来は、パワー素子の周囲近傍にも他の素子が配置されているため、パッドＰ３の放熱面積を広げることには限界があり、放熱効率の向上が難しかった。

本発明の目的は、パワー素子の発する熱の放熱効率を上げることができるパワーモジュールの放熱構造を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板にパワー素子が取付けされ、前記基板に対して厚み方向に貫通形成されるとともに、前記パワー素子が発する熱を伝熱可能に前記パワー素子の端子に対し、前記基板の第１面側で連結された伝熱手段と、前記第１面とは反対側である前記基板の第２面に設けられ、前記伝熱手段と伝熱可能に連結された放熱手段を備えたことを特徴とするパワーモジュールの放熱構造を要旨とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、前記基板に設けられた金属膜又は放熱板であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記放熱手段を第２放熱手段としたとき、前記基板の第１面側には、前記伝熱手段へ、前記パワー素子からの熱を伝達するとともに放熱する第１放熱手段が設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記伝熱手段は、ビアホール又は金属体であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記伝熱手段は複数設けられていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項において、前記パワー素子は、前記基板の第１面と第２面間に貫通された収納部に対して配置され、同パワー素子の互いに１８０度反対側の側面は、前記基板の第１面及び第２面側にそれぞれ露出されていることを特徴とする。

（作用）
請求項１によれば、パワー素子が発した熱は、基板の第１面から第２面に貫通形成した伝熱手段により、第２面側の放熱手段に伝わる。そして、同放熱手段により、伝わった熱が放熱される。放熱手段は、基板の第２面側に設けられているため、基板の第１面において、パワー素子と共に同パワー素子近傍に他の素子が存在しても、他の素子にパワー素子の発熱による悪影響を防止することができる。又、パワー素子自身も高温に起因した熱損傷が防止される。又、基板の第１面側における放熱に寄与する面積を従来よりも狭くしたとしても、第２面側で放熱できるため、第１面側においては、素子の配置を高密度化ができる効果がある。

請求項２の発明によれば、放熱手段を、金属膜又は放熱板にすると請求項１の発明の作用を実現することができる。
請求項３の発明によれば、第２放熱手段とともに、第１放熱手段も放熱するため、より放熱効率を高める。

請求項４の発明によれば、伝熱手段を、ビアホール又は金属体に形成することにより、容易に請求項１乃至請求項３の作用を実現する。
請求項５の発明によれば、伝熱手段を複数設けることにより、放熱手段への熱伝達が効率的に行われる。

請求項６の発明によれば、パワー素子の互いに１８０度反対側の側面は、基板の第１面及び第２面側にそれぞれ露出されているため、パワー素子の熱は、それぞれ第１面及び第２面側の側面からも放熱される。

請求項１乃至請求項６の発明によれば、基板の第２面に放熱手段が設けられるため、従来と異なり、放熱面積を増やすことができ、パワー素子が発する熱の放熱効率を上げることができる優れた効果を奏する。

（第１実施形態）
以下、本発明を、具体化した第１実施形態を図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）はパワーモジュールの平面図、図１（ｂ）は同じく底面図である。図２は要部断面図である。

図２に示すように基板１０の表面（第１面）には、パワー素子としてＭＯＳＦＥＴ１１が固定されている。基板１０の材質は、限定するものではなく、例えば、紙基材フェノール樹脂積層板、ガラス補強紙エポキシ樹脂積層板、ガラス基材エポキシ樹脂積層板、ガラス布エポキシ樹脂積層板、金属系プリント配線板、セラミックプリント配線板等のいずれから形成してもよい。

ＭＯＳＦＥＴ１１は、図１（ａ）及び図２に示すように、直方体形状に形成されている。ＭＯＳＦＥＴ１１のソース端子と、ゲート端子は、基板１０に設けられたパッドＰ１，Ｐ２に対してリード１２，１３を介して電気的に接続されている。又、ＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン端子は、リード１４を介して、基板１０に設けられたパッドＰ３に対して電気的に接続されている。前記パッドＰ１〜Ｐ３は、金属膜としての銅箔にて形成されている。なお、パッドの材質は、銅以外に、銀、アルミ、金等の導電性のものであればよい。前記パッドＰ１〜Ｐ３は、図示しない配線パターンに電気的に接続されている。

そして、パッドＰ３は、パッドＰ３は基板１０のＭＯＳＦＥＴ１１に対応する領域を含むように形成されるととともに、基板１０に対して前記パッドＰ１，Ｐ２よりも面積が広くされることにより、第１放熱手段とされている。この実施形態では、図５に示す従来例とほぼ同じ面積を有するようにされている。すなわち、このパッドＰ３によって、ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱を放熱するようにしている。基板１０において、パッドＰ３が設けられた領域にはビアホール２０が複数個形成され、ビアホール２０内面には無電解メッキにより形成された銅製のメッキ膜２１が形成されている。前記ビアホール２０に設けたメッキ膜２１により伝熱手段が構成されている。基板１０の第２面である裏面には、放熱手段及び第２放熱手段としての金属膜２２が形成されている。金属膜２２はパッドＰ３と同材質にて構成されており、図１（ｂ）に示すようにパッドＰ３の面積よりも大きな面積を有している。又、金属膜２２は、図２に示すようにメッキ膜２１と電気的に接続されている。

さて、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱は、リード１４、パッドＰ３を介して基板１０の表面（第１面）から裏面（第２面）に貫通形成したビアホール２０（伝熱手段）により、裏面側の金属膜２２（放熱手段）に伝わる。この結果、金属膜２２に伝わった熱は、金属膜２２にて放熱される。又、パッドＰ３においても、ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱が放熱される。このため、図５に示す従来例よりも、広い面積で放熱されるため、放熱効率がよくなる。

従って、本実施形態によれば、以下のような特徴がある。
（１） 金属膜２２は基板１０の裏面側に設けられているため、基板の表面（第１面）において、ＭＯＳＦＥＴ１１と共にＭＯＳＦＥＴ１１近傍に他の素子が存在しても、他の素子へのＭＯＳＦＥＴ１１の発熱による悪影響を防止できる。又、ＭＯＳＦＥＴ１１自身も高温に起因した熱損傷が防止される。

又、本実施形態では、基板１０の表面側を放熱部位の面積を従来と同じにしているが、裏面側にさらに、放熱部位の面積を有するため、放熱効率を上げることができる。特に、基板片面の表面実装の場合、裏面側に金属膜２２の面積を広く取ることができ、放熱効率を向上することができる。

（２） 本実施形態では、基板１０の表面側に設けたパッドＰ３においても、放熱するため、上記（１）の効果をさらに、高めることができる。
（３） 本実施形態では、ビアホール２０を形成することにより、基板１０の表面側から、基板１０の裏面側にＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱を伝えることができ、この結果、上記（１）及び（２）の作用効果を実現できる。

（４） 本実施形態では、ビアホール２０を複数設けることにより、ＭＯＳＦＥＴ１１が発した熱を基板１０の表面側から、基板１０の裏面側に多く伝えることができ、この結果、上記（１）及び（２）の作用効果を効率良く実現できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図３及び図４を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一構成又は相当する構成については、同一部号を付して、その説明を省略し、異なるところを中心に説明する。図３は（ａ）は第２実施形態のパワーモジュールの平面図、図３（ｂ）は同じく底面図である。図４は第２実施形態の要部断面図である。

第２実施形態では、基板１０において、ＭＯＳＦＥＴ１１と対応する領域においても、複数のビアホール２０が形成されているところが第１実施形態と異なっている。このように構成すると、ＭＯＳＦＥＴ１１と対応して配置されたビアホール２０のメッキ膜２１を介して、基板１０の裏面側の金属膜２２に熱が効率良く伝達される。又、基板１０の裏面側が、ＭＯＳＦＥＴ１１と対応して配置されたビアホール２０を介してＭＯＳＦＥＴ１１の底部からも放熱できる。なお、第１実施形態では説明を省略しているが、ＭＯＳＦＥＴ１１の上部においても、放熱される。従って、ＭＯＳＦＥＴ１１の互いに１８０度反対側の側面は、基板１０の表面及び裏面側にそれぞれ露出されて、放熱される。

特に、ＭＯＳＦＥＴ１１において、基板１０の裏面側に設けられた側面（前記底部）からも、一部が露出して直に放熱できるため、ＭＯＳＦＥＴ１１の底部側が基板１０に接した場合の第１実施形態よりも、放熱を促進できる。なお、通気の良いところに基板１０を配置すると、さらに、効率良く放熱できる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１実施形態のビアホール２０は、内面にメッキ膜２１を形成したが、ビアホール２０を充填した構成でもよい。充填する場合、熱伝導の良い金属体を充填するとよい。

○ パワー素子はＭＯＳＦＥＴに限定するものではなく、他のパワー素子、例えばバイポーラトランジスタ、ダイオード、ＩＧＢＴ等でもよい。
○ 第１実施形態では、パッドＰ３の面積を従来とほぼ同じ面積を有するようにしたが、基板１０のパッドＰ３の面積を第１実施形態よりも狭くし、その分を補償するように金属膜２２の面積を第１実施形態よりも広げてもよい。こうすると、従来よりもパワー素子の周囲近傍に、他の素子を配置することができ高密度化ができる。

又、従来の構成では、小型化の要請に対応して、パワー素子の周囲近傍に他の素子を配置しようとすると、パッドＰ３の放熱面積が狭くなり、放熱効率が落ちて、パワー素子の信頼性がなくなる問題がある。この結果、小型化の要請には対応できない。これに対して、パッドＰ３の面積を狭くしても、金属膜２２側でその分を補い、又は補う分以上の面積が確保できるため、小型化の要請に応えることができる。

○ 前記第１実施形態では、ビアホール２０を設けたが、ビアホールの代わりに、金属体として、例えば金属ピンを基板１０に貫通固定して、同金属ピンを介して、パッドＰ３から金属膜２２へ伝熱できるようにしてもよい。

○ 前記第１実施形態では、金属膜２２を形成したが、金属膜２２に対して金属板を当接させた状態で固定してもよい。金属板は、伝熱性の良好な金属材質から形成することが好ましい、この金属板は放熱板を構成する。

又は、金属膜２２を省略する代わりに、基板１０の裏面に金属板からなる放熱板を直接基板に当接し、同放熱板と、基板１０に貫通した前記金属ピンを直接連結してもよい。

（ａ）は本発明を具体化した第１実施形態のパワーモジュールの平面図、（ｂ）は同じく底面図。 同じく要部断面図。 （ａ）は本発明を具体化した第２実施形態のパワーモジュールの平面図、（ｂ）は同じく底面図。 第２実施形態の要部断面図。 （ａ）は従来例のパワーモジュールの平面図、（ｂ）は同じく底面図。

符号の説明

１０…基板
１１…ＭＯＳＦＥＴ（パワー素子）
２０…ビアホール（伝熱手段）
２２…金属膜（放熱手段、第２放熱手段）
３０…収納孔（収納部）
Ｐ３…パッド（第１放熱手段）

Claims (6)

1. 基板にパワー素子が取付けされ、前記基板に対して厚み方向に貫通形成されるとともに、前記パワー素子が発する熱を伝熱可能に前記パワー素子の端子に対し、前記基板の第１面側で連結された伝熱手段と、
   前記第１面とは反対側である前記基板の第２面に設けられ、前記伝熱手段と伝熱可能に連結された放熱手段を備えたことを特徴とするパワーモジュールの放熱構造。
2. 前記放熱手段は、前記基板に設けられた金属膜又は放熱板であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの放熱構造。
3. 前記放熱手段を第２放熱手段としたとき、前記基板の第１面側には、前記伝熱手段へ、前記パワー素子からの熱を伝達するとともに放熱する第１放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュールの放熱構造。
4. 前記伝熱手段は、前記基板に貫通されたビアホール又は金属体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載のパワーモジュールの放熱構造。
5. 前記伝熱手段は複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のパワーモジュールの放熱構造。
6. 前記パワー素子は、前記基板の第１面と第２面間に貫通された収納部に対して配置され、同パワー素子の互いに１８０度反対側の側面は、前記基板の第１面及び第２面側にそれぞれ露出されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項に記載のパワーモジュールの放熱構造。

Images