JP2005159048A - Power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module capable of ensuring satisfactory heat radiation performance, using a simple structure. <P>SOLUTION: The power module has a wiring 3, a semiconductor element 6 connected to this wiring 3, and a heat sink 1 for radiating generated heat from the semiconductor element 6. This semiconductor element 6 is conductively adhered onto the wiring 3. This wiring 3 is adhered to the heat sink 1 by insulating adhesives 2. If the insulating adhesives 2 is used, the heat resistance from the semiconductor element 6 to the heat sink 1 can be reduced more than the case of using an insulating substrate, and the semiconductor element can be cooled more effectively. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はインバータなど、電力制御を行うパワーモジュールに関するものである。特に、簡易な構造で放熱効果に優れたパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module that performs power control, such as an inverter. In particular, the present invention relates to a power module having a simple structure and excellent heat dissipation effect.

電気自動車やハイブリッドカーなどの走行用モータの電力制御には、インバータが利用されている。このようなインバータの概略回路図を図８に示す。   An inverter is used for power control of a driving motor such as an electric car or a hybrid car. A schematic circuit diagram of such an inverter is shown in FIG.

インバータは、直流電源からの直流を所定の交流に変換し、モータへと供給する。このインバータは、一対のスイッチング素子530と一対のダイオード54とを接続し、これらスイッチング素子530とダイオード54との組み合わせを３つ並列に接続して３相のブリッジ回路を構成している。通常、スイッチング素子530にはFET、GTO、IGBTなどが利用される。   The inverter converts a direct current from a direct current power source into a predetermined alternating current and supplies it to the motor. In this inverter, a pair of switching elements 530 and a pair of diodes 54 are connected, and three combinations of these switching elements 530 and diodes 54 are connected in parallel to form a three-phase bridge circuit. Usually, FET, GTO, IGBT or the like is used for the switching element 530.

一方、モータ100は、中心側にロータ110となる磁石を具え、その外周にステーター120を具える。ステーター120は、内周側に突出する３つのポール121を有し、各ポール121には導線130を巻き付けてコイルが形成されている。また、モータ100はロータ110の回転位置を検出するホール素子140を具え、ホール素子140による位置情報に基づいて制御回路150から上記スイッチング素子530のスイッチングを制御する。   On the other hand, the motor 100 includes a magnet serving as the rotor 110 on the center side and a stator 120 on the outer periphery thereof. The stator 120 has three poles 121 protruding to the inner peripheral side, and a conductive wire 130 is wound around each pole 121 to form a coil. In addition, the motor 100 includes a hall element 140 that detects the rotational position of the rotor 110, and controls switching of the switching element 530 from the control circuit 150 based on position information by the hall element 140.

このインバータが実装された基板の概略平面図を図９に示す。この図に示すように、複数のスイッチング素子530とダイオード54が基板上に実装されている。これらスイッチング素子530などはインバータの動作に伴って発熱するため、発熱した熱を放散するため、ヒートシンク600上に設置されている。   FIG. 9 shows a schematic plan view of a substrate on which the inverter is mounted. As shown in this figure, a plurality of switching elements 530 and diodes 54 are mounted on the substrate. Since these switching elements 530 and the like generate heat with the operation of the inverter, they are installed on the heat sink 600 in order to dissipate the generated heat.

その実装例の断面図を図10に示す。この実装例では、下から順に、ヒートシンク600、Ni箔601、半田602、Al板（下部配線）603、絶縁基板604、Al板（上部配線）605、Ni箔606、半田607、スイッチング素子530の順に積層されている（例えば非特許文献１）。通常、ヒートシンク600には、熱伝導性の高いAlやCuMo、CuWなどが利用される。必要に応じて、ヒートシンク600には表面積を増大させて放熱効率を高めるための多数のフィン（図示せず）が形成される。絶縁基板604には熱伝導性の高いセラミック材料であるAlNやAl2O3などが利用される。 A sectional view of the mounting example is shown in FIG. In this mounting example, the heat sink 600, Ni foil 601, solder 602, Al plate (lower wiring) 603, insulating substrate 604, Al plate (upper wiring) 605, Ni foil 606, solder 607, and switching element 530 are sequentially arranged from the bottom. They are laminated in order (for example, Non-Patent Document 1). In general, the heat sink 600 is made of Al, CuMo, CuW or the like having high thermal conductivity. If necessary, the heat sink 600 is formed with a large number of fins (not shown) for increasing the surface area and improving the heat radiation efficiency. For the insulating substrate 604, AlN, Al 2 O 3 or the like, which is a ceramic material having high thermal conductivity, is used.

株式会社東芝セミコンダクター社、“東芝インバーター用半導体”、[online]、[2003年10月13日検索]、インターネット＜http://www.semicon.toshiba.co.jp/prd/pdf_presen/inverter_j.pdf＞Toshiba Semiconductor Co., Ltd., “Semiconductor for Toshiba inverter”, [online], [searched on October 13, 2003], Internet <http://www.semicon.toshiba.co.jp/prd/pdf_presen/inverter_e.pdf >

しかし、上記の技術では、部品点数が多く、インバータシステム全体の構造が複雑であるという問題があった。   However, the above technique has a problem that the number of parts is large and the structure of the entire inverter system is complicated.

上記の技術では、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が上部配線に実装されており、この上部配線とヒートシンクとの間には絶縁基板が介在されている。これは、ハイブリッドカーなどの電源電圧は300V程度と高電圧であるため、上部配線とヒートシンクとの間も絶縁する必要があるためである。その結果、絶縁基板が必要となって部品点数が増え、絶縁基板の装着工程も必要となり、インバータシステムが複雑化するという問題がある。   In the above technique, a semiconductor element such as a switching element or a diode is mounted on the upper wiring, and an insulating substrate is interposed between the upper wiring and the heat sink. This is because the power supply voltage of a hybrid car or the like is as high as about 300 V, and it is necessary to insulate between the upper wiring and the heat sink. As a result, there is a problem that an insulating substrate is required, the number of parts is increased, an insulating substrate mounting process is required, and the inverter system is complicated.

従って、本発明の主目的は、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールを提供することにある。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a power module capable of ensuring sufficient heat dissipation performance with a simple structure.

本発明は、配線とヒートシンクとの装着の仕方に工夫を施し、両者の絶縁性の確保と熱伝導性の効率改善を実現することで上記の目的を達成する。   The present invention achieves the above-mentioned object by devising the way of mounting the wiring and the heat sink, and ensuring the insulation between them and improving the efficiency of thermal conductivity.

本発明パワーモジュールは、配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールである。この半導体素子は配線上に導電接着される。そして、この配線はヒートシンクと絶縁性接着剤で接着されていることを特徴とする。   The power module of the present invention is a power module having a wiring, a semiconductor element connected to the wiring, and a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element. This semiconductor element is conductively bonded onto the wiring. The wiring is bonded to the heat sink with an insulating adhesive.

絶縁性接着剤を用いることで、別途絶縁基板（層・フィルム）を準備する必要がなく、パワーモジュールを構成する部品点数を減少することができる。また、絶縁性接着剤は絶縁基板（層・フィルム）を用いる場合に比べて半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくでき、より効率的に半導体素子を冷却することが可能である。   By using an insulating adhesive, it is not necessary to separately prepare an insulating substrate (layer / film), and the number of parts constituting the power module can be reduced. In addition, the insulating adhesive can reduce the thermal resistance from the semiconductor element to the heat sink as compared with the case where an insulating substrate (layer / film) is used, and can cool the semiconductor element more efficiently.

また、別の本発明パワーモジュールは、配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールである。この半導体素子は配線上に導電接着され、配線はヒートシンク上に装着される。そして、ヒートシンクは配線との界面に無機絶縁層を有することを特徴とする。   Another power module of the present invention is a power module having a wiring, a semiconductor element connected to the wiring, and a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element. The semiconductor element is conductively bonded onto the wiring, and the wiring is mounted on a heat sink. The heat sink has an inorganic insulating layer at the interface with the wiring.

無機絶縁層を有するヒートシンクを用いれば、別途絶縁基板（層・フィルム）を準備する必要がなく、パワーモジュールを構成する部品点数を減少することができる。また、絶縁基板（層・フィルム）を用いる場合に比べて半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくでき、より効率的に半導体素子を冷却することが可能である。   If a heat sink having an inorganic insulating layer is used, it is not necessary to separately prepare an insulating substrate (layer / film), and the number of parts constituting the power module can be reduced. Further, the thermal resistance from the semiconductor element to the heat sink can be reduced as compared with the case where an insulating substrate (layer / film) is used, and the semiconductor element can be cooled more efficiently.

以下、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

＜配線＞
配線は、ヒートシンク上に配されて電流が流される箇所であり、代表的には入力電力または出力電力を通電するための導電部材である。通常、この配線には銅板（例えば厚み1〜3mm）が利用される。銅板の上にNiなどのメッキ層を形成したものでも良い。 <Wiring>
The wiring is a portion that is arranged on the heat sink and through which a current flows, and is typically a conductive member for energizing input power or output power. Usually, a copper plate (for example, a thickness of 1 to 3 mm) is used for this wiring. A copper plate with a plated layer of Ni or the like may be used.

この配線は、半導体素子が接着される装着部を有する。装着部は配線のうち、半導体素子が実装可能なように半導体素子面積以上の面積を有する箇所である。通常、装着部は多角形あるいは円形に構成されることが多い。特に、半導体素子からの熱伝導が均等に行われるように、半導体素子を中心として外周側に均等に広がる形状が好適である。   The wiring has a mounting portion to which the semiconductor element is bonded. The mounting portion is a portion of the wiring having an area larger than the area of the semiconductor element so that the semiconductor element can be mounted. Usually, the mounting portion is often configured in a polygonal shape or a circular shape. In particular, a shape that spreads evenly around the semiconductor element around the semiconductor element is suitable so that heat conduction from the semiconductor element is performed uniformly.

この装着部の面積は、半導体素子の面積の2倍以上であることが好ましい。装着部の面積を大型化することで、半導体素子の熱をヒートシンクに伝導するための面積を広げ、半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくして効率的な放熱を行なうことができる。   The area of the mounting portion is preferably at least twice the area of the semiconductor element. By enlarging the area of the mounting portion, it is possible to increase the area for conducting the heat of the semiconductor element to the heat sink and reduce the thermal resistance from the semiconductor element to the heat sink to perform efficient heat dissipation.

＜半導体素子＞
この半導体素子には、ヒートシンク上に実装される全ての発熱性の素子が含まれる。インバータの場合、代表的にはスイッチング素子とダイオードの組合せで構成されるため、これらスイッチング素子とダイオードが半導体素子に相当する。スイッチング素子には、FET、GTO、IGBTなどが利用される。 <Semiconductor element>
This semiconductor element includes all the exothermic elements mounted on the heat sink. In the case of an inverter, since it is typically configured by a combination of a switching element and a diode, the switching element and the diode correspond to semiconductor elements. FET, GTO, IGBT, etc. are used for the switching element.

この半導体素子は配線上に導電接着する。導電接着は、電気的な接続を確保して半導体素子を保持できる手段であれば特に限定されない。導電接着の代表例としては、半田付けが挙げられる。その他、導電性接着剤により半導体素子を配線上に接着しても良い。耐熱性に優れる導電性接着剤の具体例としては、エポキシ系としてコトロニクス社製Duralco124、同120、同122（商品名）が、セラミック系としてコトロニクス社製Resbond931、同954（商品名）が挙げられる。   This semiconductor element is conductively bonded onto the wiring. The conductive bonding is not particularly limited as long as it is a means capable of securing the electrical connection and holding the semiconductor element. A typical example of conductive bonding is soldering. In addition, the semiconductor element may be bonded onto the wiring with a conductive adhesive. Specific examples of conductive adhesives with superior heat resistance include epoxy-based Duralco 124, 120 and 122 (product names) manufactured by Cotronics, and Resbond931 and 954 (product name) manufactured by Kotronics as ceramics. Can be mentioned.

＜ヒートシンク＞
ヒートシンクは、半導体素子からの熱を放散させるためのもので、熱伝導性の高い材料で構成することが望ましい。高熱伝導性の材料は導電性でも絶縁性でも構わない。 <Heatsink>
The heat sink is used to dissipate heat from the semiconductor element, and is preferably made of a material having high thermal conductivity. The high thermal conductivity material may be conductive or insulating.

導電性材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金や銅、銅合金が挙げられる。ヒートシンクに導電性材料を用いた場合、絶縁性接着剤で配線をヒートシンクに接着する。その他、ヒートシンクにおける配線との界面に無機絶縁層を設けてもよい。この絶縁性接着剤と無機絶縁層の一方または双方により、配線とヒートシンクとの絶縁を確保する。   Examples of the conductive material include aluminum, an aluminum alloy, copper, and a copper alloy. When a conductive material is used for the heat sink, the wiring is bonded to the heat sink with an insulating adhesive. In addition, you may provide an inorganic insulating layer in the interface with the wiring in a heat sink. The insulation between the wiring and the heat sink is ensured by one or both of the insulating adhesive and the inorganic insulating layer.

無機絶縁層としては、例えば、Al2O3、SiO2、SnO2、SOG（スピンオングラス）およびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層が挙げられる。その他、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどでもよい。これらの無機絶縁層は、例えば真空蒸着、スパッタリングなどのPVD法や、プラズマCVDなどのCVD法あるいはスプレー法により形成することができる。 Examples of the inorganic insulating layer include a single layer or a multilayer composed of one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , SnO 2 , SOG (spin on glass), and In 2 O 3 . In addition, AlN, SiN, SiC, AlSiC, etc. may be used. These inorganic insulating layers can be formed by, for example, a PVD method such as vacuum deposition or sputtering, a CVD method such as plasma CVD, or a spray method.

中でも、アルマイト処理により形成されるAl2O3が無機絶縁層として好適である。Al2O3は公知のアルマイト処理により容易に形成することができる。一般に、このアルマイト皮膜は多数の空孔を有する多孔質の酸化皮膜である。この空孔に絶縁充填材を充填することが好ましい。空孔を絶縁充填材で埋めることにより、無機絶縁層の絶縁性能を向上させることができる。 Among these, Al 2 O 3 formed by alumite treatment is suitable as the inorganic insulating layer. Al 2 O 3 can be easily formed by a known alumite treatment. Generally, this alumite film is a porous oxide film having a large number of pores. It is preferable to fill this hole with an insulating filler. By filling the holes with an insulating filler, the insulating performance of the inorganic insulating layer can be improved.

上記の無機絶縁層は、多数の島状に形成することが好ましい。通常、アルマイト皮膜などの無機絶縁層は、面積が大きい場合や膜厚が厚い場合にクラックが発生しやすい。多数の島がアルミニウムの素地上に分散された状態に形成されていれば、個々の無機絶縁層サイズが小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。その場合、各島の間には絶縁性接着剤が充填されるようにすることが好ましい。この充填により、ヒートシンクの素地と配線との間は、絶縁性接着剤と島状に分散配置された無機絶縁層とで絶縁が確保されることになる。多数の島状に無機絶縁層を形成するには、例えばアルマイト処理の場合、アルミニウムの素地表面を格子状にマスクしておいてから電解液中で陽極酸化を行い、後にマスクを除去すれば良い。   The inorganic insulating layer is preferably formed in a number of island shapes. Usually, an inorganic insulating layer such as an alumite film tends to crack when the area is large or the film thickness is large. If a large number of islands are formed in a state of being dispersed on the aluminum substrate, the size of each inorganic insulating layer is reduced, and the generation of cracks can be suppressed. In that case, it is preferable that an insulating adhesive is filled between the islands. By this filling, insulation between the base of the heat sink and the wiring is ensured by the insulating adhesive and the inorganic insulating layers dispersed and arranged in an island shape. In order to form an inorganic insulating layer in a number of island shapes, for example, in the case of anodizing, the aluminum substrate surface is masked in a lattice shape, then anodized in an electrolytic solution, and the mask is removed later. .

一方、ヒートシンクを構成する高熱伝導性の絶縁性材料としては、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどが挙げられる。絶縁性材料を用いた場合、ヒートシンクに直接配線を接合することができる。その場合の接合材は絶縁性でも導電性でも構わない。例えば、接合材としては、絶縁性接着剤や導電性接着剤が挙げられる。   On the other hand, examples of the highly thermally conductive insulating material constituting the heat sink include AlN, SiN, SiC, and AlSiC. When an insulating material is used, the wiring can be directly bonded to the heat sink. The bonding material in that case may be insulating or conductive. For example, examples of the bonding material include an insulating adhesive and a conductive adhesive.

ヒートシンクの形状は、効率的に放熱を行うために、表面積の大きい形状とすることが望ましい。例えば、多数のフィンを有する形状が挙げられる。   The shape of the heat sink is preferably a shape having a large surface area in order to efficiently dissipate heat. For example, the shape which has many fins is mentioned.

また、ヒートシンクは、水冷などの液体冷媒を用いる水冷タイプと、空気などの気体冷媒を用いる空冷タイプの両方が利用できる。液体冷媒を用いる場合、ブロック状のヒートシンク内に冷媒流路を形成すればよい。冷媒流路は、ヒートシンクを均一に冷却できるよう、例えば蛇行状に構成する。一方、空冷タイプの場合、ヒートシンクに多数のフィンを設け、各フィンの間にファンなどで風を送り込み強制空冷すれば、効果的な冷却を行うことができる。   The heat sink can be either a water cooling type using a liquid refrigerant such as water cooling or an air cooling type using a gas refrigerant such as air. When a liquid refrigerant is used, a refrigerant flow path may be formed in a block heat sink. The refrigerant flow path is configured to meander, for example, so that the heat sink can be uniformly cooled. On the other hand, in the case of the air cooling type, if a large number of fins are provided on the heat sink and air is sent between the fins by a fan or the like and forced air cooling is performed, effective cooling can be performed.

＜絶縁性接着剤＞
絶縁性接着剤は、配線とヒートシンクとの電気的絶縁が確保できる絶縁耐力を有する材料を選択すれば良い。絶縁性接着剤にはエポキシ系接着剤やセラミック系接着剤などがある。耐熱性に優れる絶縁性接着剤の具体例として、エポキシ系としてコトロニクス社製Duralco4460、同4461、同4700（商品名）が、セラミック系としてコトロニクス社製Resbond901、同989（商品名）が挙げられる。 <Insulating adhesive>
As the insulating adhesive, a material having a dielectric strength capable of ensuring electrical insulation between the wiring and the heat sink may be selected. Insulating adhesives include epoxy adhesives and ceramic adhesives. Specific examples of insulating adhesives with excellent heat resistance include Duralco 4460, 4461, and 4700 (trade names) manufactured by Cotronics as epoxy systems, and Resbond901 and 989 (product names) manufactured by Kotronics as ceramic systems. It is done.

＜絶縁被覆材＞
ヒートシンク上に実装される配線や半導体素子などの実装部品は絶縁被覆材により覆って保護することが好ましい。この絶縁被覆材により、半導体素子とヒートシンクとが一体化された一部品として構成することができる。絶縁被覆材は、ICやLSIなどの分野でパッケージングに用いられている樹脂、例えばエポキシ樹脂などを利用することができる。その他、Siゲルなども利用できる。 <Insulation coating material>
It is preferable to protect the mounting parts such as wirings and semiconductor elements mounted on the heat sink by covering them with an insulating coating material. With this insulating coating material, the semiconductor element and the heat sink can be configured as a single component. As the insulating coating material, a resin used for packaging in the field of IC and LSI, for example, an epoxy resin can be used. In addition, Si gel can be used.

半導体素子とヒートシンクとを絶縁被覆材で一体化した場合、パワーモジュールの表面に入力端子と、出力端子と、半導体素子制御用の信号端子とを形成することが好ましい。これらの端子を単一部品となったモジュールに設けることで、直流電源、モータ、制御回路などとモジュールとの接続を容易に行うことができる。例えば、インバータの場合、直流の入力端子と、変換出力される交流の出力端子と、スイッチング素子の制御用信号端子とをパワーモジュールの表面に形成すればよい。   When the semiconductor element and the heat sink are integrated with an insulating coating material, it is preferable to form an input terminal, an output terminal, and a signal terminal for controlling the semiconductor element on the surface of the power module. By providing these terminals in a single component module, it is possible to easily connect the DC power supply, motor, control circuit, and the like to the module. For example, in the case of an inverter, a DC input terminal, an AC output terminal to be converted and output, and a control signal terminal for the switching element may be formed on the surface of the power module.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

まず、本発明パワーモジュールの基本構成を図１に基づいて説明する。図１は本発明パワーモジュールを構成する半導体素子の実装状態を示す断面図である。このパワーモジュールは、下から順に、ヒートシンク1、絶縁性接着剤2、配線3、半田5、半導体素子6が積層して実装されている。   First, the basic configuration of the power module of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mounted state of semiconductor elements constituting the power module of the present invention. In this power module, the heat sink 1, the insulating adhesive 2, the wiring 3, the solder 5, and the semiconductor element 6 are stacked in order from the bottom.

ヒートシンク1はアルミニウム製で、下面側に多数のフィン1Aが形成されている。各フィン1Aの間に形成される空間が空冷時の空気の流路となる。   The heat sink 1 is made of aluminum, and a large number of fins 1A are formed on the lower surface side. A space formed between the fins 1A serves as an air flow path during air cooling.

このヒートシンク1上面に絶縁性接着剤2で配線3を装着する。配線3は銅製の基材31上にNiメッキ層32を形成したものである。絶縁性接着剤2には、コトロニクス社製Duralco4460、同4700（商品名）を用いた。   A wiring 3 is attached to the upper surface of the heat sink 1 with an insulating adhesive 2. The wiring 3 is obtained by forming a Ni plating layer 32 on a copper base 31. As the insulating adhesive 2, Duralco 4460 and 4700 (trade name) manufactured by Cotronics were used.

このNiメッキ層32の上に半田5により半導体素子6が実装される。ここでは、インバータのスイッチング素子であるFETを半導体素子6とした。そして、ヒートシンク1の上面を配線3や半導体素子6を覆うようにモールドする。このモールド樹脂7にはシリコーンゲルを用いた。   The semiconductor element 6 is mounted on the Ni plating layer 32 by the solder 5. Here, the FET that is the switching element of the inverter is the semiconductor element 6. Then, the upper surface of the heat sink 1 is molded so as to cover the wiring 3 and the semiconductor element 6. Silicone gel was used for the mold resin 7.

このパワーモジュールによれば、従来のパワーモジュールで用いていた絶縁基板を用いることなくパワーモジュールを構成でき、部品点数の減少、製造工程の簡略化を実現できる。また、配線とヒートシンクとの接合に絶縁性接着剤を用いることで、両者の絶縁性も十分に確保することができる。さらに、図中の矢印に示すように、半導体素子からヒートシンクへの熱伝導を迅速に行なうことで、効率的な放熱を行なうことができる。   According to this power module, the power module can be configured without using the insulating substrate used in the conventional power module, and the number of parts can be reduced and the manufacturing process can be simplified. Further, by using an insulating adhesive for joining the wiring and the heat sink, it is possible to sufficiently secure the insulation between them. Furthermore, as shown by the arrows in the figure, efficient heat dissipation can be performed by quickly conducting heat conduction from the semiconductor element to the heat sink.

なお、上記のNiメッキ層32を省略し、銅製の基材31上に直接半田5で半導体素子6を実装しても良い。   The Ni plating layer 32 may be omitted, and the semiconductor element 6 may be mounted directly on the copper base 31 with the solder 5.

次に、ヒートシンクの表面部に無機絶縁層を形成した例を図２に基づいて説明する。図２はAl2O3層を有するヒートシンクを用いた本発明パワーモジュールの断面図である。 Next, an example in which an inorganic insulating layer is formed on the surface portion of the heat sink will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the power module of the present invention using a heat sink having an Al 2 O 3 layer.

実施例１では、ヒートシンク1と配線3との間の絶縁を絶縁性接着剤2だけにより確保した。本例では、図２に示すように、ヒートシンク1におけるアルミニウム素地10の上面に、アルマイト処理によりAl2O3層11（無機絶縁層）を形成し、その上に絶縁性接着剤2を塗布している。この構成によれば、絶縁性接着剤2に加えてAl2O3層11によっても、配線3とヒートシンク1との絶縁性を確保できる。通常、熱伝導性はAl2O3層11の方が絶縁性接着剤2よりも高い。また、Al2O3層11は十分な絶縁特性を有している。そのため、絶縁性接着剤2の厚みを薄くしても、Al2O3層11を有するヒートシンクを用いれば、Al2O3層11で耐電圧を確保しながら実施例１よりも半導体素子6とヒートシンク1間の熱抵抗をさらに小さくすることができる。他の構成は実施例１と同様なので説明を省略する。 In Example 1, the insulation between the heat sink 1 and the wiring 3 was ensured only by the insulating adhesive 2. In this example, as shown in FIG. 2, an Al 2 O 3 layer 11 (inorganic insulating layer) is formed on the upper surface of the aluminum substrate 10 in the heat sink 1 by anodizing, and an insulating adhesive 2 is applied thereon. ing. According to this configuration, the insulation between the wiring 3 and the heat sink 1 can be secured by the Al 2 O 3 layer 11 in addition to the insulating adhesive 2. Usually, the thermal conductivity of the Al 2 O 3 layer 11 is higher than that of the insulating adhesive 2. Further, the Al 2 O 3 layer 11 has sufficient insulating properties. Therefore, even if the thickness of insulating adhesive 2, the use of the heat sink with the Al 2 O 3 layer 11, the semiconductor element 6 than in Example 1 while securing the withstand voltage in the Al 2 O 3 layer 11 The thermal resistance between the heat sinks 1 can be further reduced. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、多数の島状にAl2O3層を形成した例を図３に基づいて説明する。図３（A）は多数の島状にAl2O3層が形成されたヒートシンクの平面図、同（B）はこのヒートシンク上に絶縁性接着剤を塗布した状態の断面図である。 Next, an example in which an Al 2 O 3 layer is formed in a number of island shapes will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a plan view of a heat sink in which a large number of island-like Al 2 O 3 layers are formed, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the heat sink coated with an insulating adhesive.

本例は、多数の島状にAl2O3層11を形成した点を除き、他の構成は実施例２と同様である。図３(A)に示すように、ヒートシンクのアルミニウム素地10上には矩形の島が多数整列された状態にAl2O3層11が形成される。このようなAl2O3層11は、アルマイト処理を行なう際、アルミニウムの素地10表面を格子状にマスクしておいてから電解液中で陽極酸化を行い、後にマスクを除去することで形成した。このように、多数の島がアルミニウムの素地上に分散された状態に形成されていれば、個々のAl2O3層のサイズが小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。 This example is the same as Example 2 except that the Al 2 O 3 layer 11 is formed in a number of island shapes. As shown in FIG. 3A, the Al 2 O 3 layer 11 is formed on the aluminum base 10 of the heat sink in a state where a large number of rectangular islands are aligned. Such an Al 2 O 3 layer 11 was formed by masking the surface of the aluminum substrate 10 in a lattice pattern when anodizing, performing anodization in an electrolytic solution, and then removing the mask. . In this way, if a large number of islands are formed in a state of being dispersed on the aluminum substrate, the size of each Al 2 O 3 layer is reduced, and the generation of cracks can be suppressed.

このAl2O3層11上に絶縁性接着剤2を塗布する。そのとき、各島の間には絶縁性接着剤2が充填される。従って、ヒートシンクの素地10と配線3(図2参照)との間は、絶縁性接着剤2と島状に分散配置されたAl2O3層11とで絶縁が確保される。その場合、配線3とヒートシンク1との間の介在物は絶縁性接着剤2とAl2O3層11との混成となるため、この介在物の熱伝導度は絶縁性接着剤2とAl2O3層11のほぼ中間となる。そのため、Al2O3層11のみの場合に比べてより高い熱伝導性を得られ、効率的な放熱を行なうことができる。 An insulating adhesive 2 is applied on the Al 2 O 3 layer 11. At that time, the insulating adhesive 2 is filled between the islands. Therefore, insulation between the base 10 of the heat sink and the wiring 3 (see FIG. 2) is ensured by the insulating adhesive 2 and the Al 2 O 3 layer 11 distributed in an island shape. In that case, since the inclusion between the wiring 3 and the heat sink 1 is a mixture of the insulating adhesive 2 and the Al 2 O 3 layer 11, the thermal conductivity of this inclusion is the insulating adhesive 2 and the Al 2 It is almost in the middle of the O 3 layer 11. Therefore, higher thermal conductivity can be obtained compared to the case of using only the Al 2 O 3 layer 11, and efficient heat dissipation can be performed.

次に、実施例２のAl2O3層に顔料を充填した本発明モジュールを図４に基づいて説明する。図４はアルマイト処理により得たAl2O3層の模式説明図である。 Next, the module of the present invention in which the Al 2 O 3 layer of Example 2 is filled with a pigment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic explanatory view of an Al 2 O 3 layer obtained by anodizing.

この図に示すように、Al2O3層11はアルミニウム素地10の上に柱状の結晶粒が集合して形成されたものである。各結晶粒には、表面側が開口してアルミニウム素地側に底部を有するほぼ円筒状の空孔11Aが形成されている。 As shown in this figure, the Al 2 O 3 layer 11 is formed by collecting columnar crystal grains on an aluminum substrate 10. Each crystal grain is formed with a substantially cylindrical hole 11A having an opening on the surface side and a bottom on the aluminum base side.

この空孔11Aに絶縁性充填材である顔料を充填する。この顔料を用いれば、アルマイト処理で得たAl2O3層11を着色することもできる。 The pores 11A are filled with a pigment which is an insulating filler. If this pigment is used, the Al 2 O 3 layer 11 obtained by the alumite treatment can be colored.

Al2O3層11に形成される多数の空孔11Aを絶縁充填材で埋めることにより、Al2O3層11の絶縁特性をさらに向上させることができる。 By filling many holes 11A formed in the Al 2 O 3 layer 11 with an insulating filler, the insulating properties of the Al 2 O 3 layer 11 can be further improved.

次に、配線のうち半導体素子が装着される装着部の面積を大型にした本発明モジュールを図５に基づいて説明する。図５(A)は実施例５のモジュールを構成する半導体素子と配線の平面図、（B）は同モジュールにおける半導体素子の装着箇所の断面図である。   Next, the module of the present invention in which the area of the mounting portion where the semiconductor element is mounted in the wiring is enlarged will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a plan view of semiconductor elements and wirings constituting the module of Example 5, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the mounting positions of the semiconductor elements in the module.

この図に示すように、配線は帯状部33と、帯状部33と一体の装着部34とから構成される。装着部34は、半導体素子6が実装できるように帯状部33よりも幅広に形成された箇所である。本例では、ほぼ正方形の半導体素子6を実装するため正方形の装着部34とした。装着部34と帯状部33の連結箇所はほぼ台形状に構成されている。   As shown in this figure, the wiring is composed of a strip-shaped portion 33 and a mounting portion 34 integrated with the strip-shaped portion 33. The mounting part 34 is a part formed wider than the band-like part 33 so that the semiconductor element 6 can be mounted. In this example, the square mounting portion 34 is used to mount the substantially square semiconductor element 6. The connecting portion between the mounting portion 34 and the belt-like portion 33 is substantially trapezoidal.

ここで、装着部34の面積を半導体素子6の面積の2〜3倍とした。従来、装着部34の面積は半導体素子6の実装ができればよいため、せいぜい半導体素子6の1.2〜1.5倍程度とされていた。本例では、従来に比較して大面積の装着部34を構成することで半導体素子6からヒートシンク1までの熱伝導面積を大きくし、より効率的な放熱を可能とする。   Here, the area of the mounting portion 34 was set to 2 to 3 times the area of the semiconductor element 6. Conventionally, the area of the mounting portion 34 has only to be about 1.2 to 1.5 times that of the semiconductor element 6 because it is sufficient that the semiconductor element 6 can be mounted. In this example, the mounting portion 34 having a larger area than the conventional one is configured to increase the heat conduction area from the semiconductor element 6 to the heat sink 1, thereby enabling more efficient heat dissipation.

次に、本発明モジュールでインバータを構成した場合を図６に基づいて説明する。図６(A)は実施例６のインバータの模式平面図、同(B)は(A)図におけるB-B断面図である。   Next, the case where an inverter is comprised with this invention module is demonstrated based on FIG. FIG. 6A is a schematic plan view of the inverter according to the sixth embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

このモジュールは、アルミニウム製のヒートシンク1上に絶縁性接着剤2を介して配線3を所定のパターンに装着し、その配線3上に半導体素子6を実装している。ここでは、合計６つの半導体素子6（スイッチング素子）を配線3上に実装し、各半導体素子6と配線3とをAlやCuのボンディングワイヤ8にて接続している。(A)図の下方に引き出される２本の配線が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線が出力電力用の配線である。   In this module, a wiring 3 is mounted in a predetermined pattern on an aluminum heat sink 1 via an insulating adhesive 2, and a semiconductor element 6 is mounted on the wiring 3. Here, a total of six semiconductor elements 6 (switching elements) are mounted on the wiring 3, and each semiconductor element 6 and the wiring 3 are connected by bonding wires 8 of Al or Cu. (A) Two wires drawn downward in the figure are wires for input power, and three wires drawn upward are wires for output power.

本例においても、配線3とヒートシンク1とは絶縁性接着剤2により接合されているため、絶縁基板を用いる必要がなく、半導体素子6からの放熱を効率的に行なうことができる。   Also in this example, since the wiring 3 and the heat sink 1 are joined by the insulating adhesive 2, it is not necessary to use an insulating substrate, and heat radiation from the semiconductor element 6 can be performed efficiently.

次に、本発明モジュールでインバータを構成した場合を図７に基づいて説明する。図７(A)は実施例７のインバータの模式平面図、同(B)は(A)図におけるB-B断面図である。   Next, the case where an inverter is comprised with this invention module is demonstrated based on FIG. FIG. 7A is a schematic plan view of the inverter of the seventh embodiment, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.

本例もヒートシンク上に所定パターンの配線3を絶縁性接着剤2で接合し、その配線3上に合計６つの半導体素子6を実装した点は実施例６と同様である。また、(A)図の下方に引き出される２本の配線が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線が出力電力用の配線である点も実施例６と同様である。   This example is also similar to the example 6 in that the wiring 3 having a predetermined pattern is bonded to the heat sink by the insulating adhesive 2 and a total of six semiconductor elements 6 are mounted on the wiring 3. Further, (A) as in the sixth embodiment, the two wires drawn down in the figure are wires for input power, and the three wires drawn up are wires for output power.

実施例６と本例との相違は、実施例６では半導体素子6の配列が横型構造デバイスであるのに対し、本例では縦型構造デバイスとした点である。横型構造デバイスは、デバイスの水平面に沿って電流が流れるようにデバイス表面にソース、ゲート、ドレインが配され、縦構造デバイスは、デバイスの裏面から表面に向かって電流が流れるように表面にソース、ゲートが、裏面にドレインが配された構造である。また、本例では、配線パターンの上にAlNの絶縁セラミック基板9を形成し、その基板9における半導体素子6を実装する箇所には開口を形成して、開口部から半導体素子6を配線3上に接合している。   The difference between Example 6 and this example is that in Example 6, the arrangement of the semiconductor elements 6 is a horizontal structure device, whereas in this example, a vertical structure device is used. In the lateral structure device, the source, gate, and drain are arranged on the device surface so that current flows along the horizontal plane of the device, and in the vertical structure device, the source flows on the surface so that current flows from the back surface to the surface of the device, The gate has a structure in which a drain is disposed on the back surface. Also, in this example, an AlN insulating ceramic substrate 9 is formed on the wiring pattern, an opening is formed in the substrate 9 where the semiconductor element 6 is mounted, and the semiconductor element 6 is placed on the wiring 3 from the opening. It is joined to.

この構成によれば、絶縁基板を用いることなく配線3とヒートシンク1との接合を行なうことができ、半導体素子からの放熱を効率的に行なうことができる。   According to this configuration, the wiring 3 and the heat sink 1 can be joined without using an insulating substrate, and heat radiation from the semiconductor element can be efficiently performed.

本発明パワーモジュールによれば、絶縁性接着剤と無機絶縁層の少なくとも一方により配線とヒートシンクとを絶縁することで、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールとできる。そのため、電気自動車、ハイブリッドカーなど、パワーモジュールの設置スペースの制約が大きい分野において有効利用できる。特に、半導体素子温度が150℃から250℃程度、使用電源電圧200〜750V、最大電圧700〜1500V程度でのインバータへの利用が期待される。   According to the power module of the present invention, the wiring and the heat sink are insulated by at least one of the insulating adhesive and the inorganic insulating layer, whereby a power module that can secure sufficient heat dissipation performance with a simple structure can be obtained. Therefore, it can be effectively used in fields where the installation space of the power module is large, such as an electric vehicle and a hybrid car. In particular, it is expected to be used for an inverter with a semiconductor element temperature of about 150 to 250 ° C., a power supply voltage of 200 to 750 V, and a maximum voltage of about 700 to 1500 V.

本発明パワーモジュールを構成する半導体素子の実装状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the mounting state of the semiconductor element which comprises this invention power module. Al2O3層を有するヒートシンクを用いた本発明パワーモジュールの断面図である。Is a cross-sectional view of the present invention a power module using the heat sink having the Al 2 O 3 layer. (A）は多数の島状にAl2O3層が形成されたヒートシンクの平面図、（B）はこのヒートシンク上に絶縁性接着剤を塗布した状態の断面図である。(A) is a plan view of a heat sink in which a large number of island-like Al 2 O 3 layers are formed, and (B) is a cross-sectional view in a state where an insulating adhesive is applied on the heat sink. アルマイト処理により得たAl2O3層の模式説明図である。It is a schematic illustration of the Al 2 O 3 layer obtained by alumite treatment. (A)は実施例５のモジュールを構成する半導体素子と配線の平面図、（B）は同モジュールにおける半導体素子の装着箇所の断面図である。(A) is a top view of the semiconductor element and wiring which comprise the module of Example 5, (B) is sectional drawing of the mounting location of the semiconductor element in the module. (A)は実施例６のインバータの模式平面図、(B)は(A)図におけるB-B断面図である。(A) is a schematic top view of the inverter of Example 6, (B) is BB sectional drawing in the (A) figure. (A)は実施例７のインバータの模式平面図、(B)は(A)図におけるB-B断面図である。(A) is a schematic top view of the inverter of Example 7, (B) is BB sectional drawing in (A) figure. モータを駆動するインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the inverter which drives a motor. インバータを搭載した基板の概略平面図である。It is a schematic plan view of the board | substrate which mounts an inverter. 図９の基板の部分断面図である。FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the substrate of FIG. 9.

符号の説明Explanation of symbols

1 ヒートシンク 1A フィン 10 素地 11 Al2O3層 11A 空孔
2 絶縁性接着剤 3 配線 31 基材 32 Niメッキ層
33 帯状部 34 装着部
5 半田 6 半導体素子 7 モールド樹脂
8 ボンディングワイヤ 9 絶縁セラミック基板
54 ダイオード
100 モータ 110 ロータ 120 ステーター 121 ポール
130 導線 140 ホール素子 150 制御回路 530 スイッチング素子
600 ヒートシンク 601 Ni箔 602 半田 603 Al板 604 絶縁基板
605 Al板 606 Ni箔 607 半田 1 Heat sink 1A Fin 10 Base 11 Al 2 O 3 layer 11A Hole
2 Insulating adhesive 3 Wiring 31 Base material 32 Ni plating layer
33 Band 34 Attachment
5 Solder 6 Semiconductor element 7 Mold resin
8 Bonding wire 9 Insulated ceramic substrate
54 Diode
100 Motor 110 Rotor 120 Stator 121 Pole
130 Conductor 140 Hall element 150 Control circuit 530 Switching element
600 Heat sink 601 Ni foil 602 Solder 603 Al plate 604 Insulation substrate
605 Al plate 606 Ni foil 607 Solder

Claims (6)

配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールであって、
この半導体素子は配線上に導電接着され、
この配線はヒートシンクと絶縁性接着剤で接着されていることを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a wiring, a semiconductor element connected to the wiring, and a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element,
This semiconductor element is conductively bonded on the wiring,
The power module is characterized in that the wiring is bonded to the heat sink with an insulating adhesive. 配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールであって、
この半導体素子は配線上に導電接着され、配線はヒートシンク上に装着されて、
ヒートシンクは配線との界面に無機絶縁層を有することを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a wiring, a semiconductor element connected to the wiring, and a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element,
This semiconductor element is conductively bonded on the wiring, the wiring is mounted on the heat sink,
A power module, wherein the heat sink has an inorganic insulating layer at an interface with the wiring. 配線は、半導体素子が接着される装着部を有し、
この装着部の面積は、半導体素子の面積の2倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。 The wiring has a mounting portion to which the semiconductor element is bonded,
The power module according to claim 1 or 2, wherein the area of the mounting portion is at least twice the area of the semiconductor element. 無機絶縁層がAl2O3、SiO2、SnO2、SOGおよびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層であることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。 The inorganic insulating layer is a single layer or a multilayer composed of one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , SnO 2 , SOG and In 2 O 3. Power module. 無機絶縁層が多数の空孔を持つ多孔質で構成され、
この空孔に絶縁充填材を充填したことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。 The inorganic insulating layer is composed of a porous material having a large number of pores,
The power module according to claim 2, wherein the holes are filled with an insulating filler. 無機絶縁層がヒートシンク表面に多数の島状として形成され、
各島の間に絶縁性接着剤が充填されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。 An inorganic insulating layer is formed on the heat sink surface as a number of islands,
The power module according to claim 2, wherein an insulating adhesive is filled between the islands.
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