JP2005268432A

JP2005268432A - パワーモジュールの絶縁樹脂硬化方法および装置

Info

Publication number: JP2005268432A
Application number: JP2004076690A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Nishiyama; 克彦西山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】従来、パワーモジュールにおける半導体素子の電極と放熱器とを、両者間に挟み込んだ絶縁樹脂により接続する場合、高温槽の雰囲気による加熱にて絶縁樹脂を硬化させていたので、絶縁樹脂の粘度が十分に低下せず、放熱器と絶縁樹脂との間、および電極と絶縁樹脂との間に気泡が残留して、パワーモジュールの半導体素子から放熱器への放熱性が低下するという問題があった。
【解決手段】パワーモジュール１の電極１ｂ・１ｃと放熱器１３との間に介在させた絶縁樹脂１２を硬化させる方法であって、パワーモジュール１の半導体素子１１に通電して発熱させ、半導体素子１１の温度を温度検出器４により検出し、検出した半導体素子温度に応じて半導体素子１１へ通電する電力の大きさを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールの電極と放熱器との間に介在させた絶縁樹脂を硬化させるための、パワーモジュールの絶縁樹脂硬化方法および装置に関する。

従来から、インバータ用等のパワーモジュールは、作動時に発熱するため放熱器等を通じて放熱する必要があり、例えば図６に示すような構造に構成されている。
図６に示すパワーモジュール１０１は、半導体素子１０２の下面がはんだ１０７によりコレクタ電極１０３と接続され、コレクタ電極１０３は、絶縁樹脂１０５を介して放熱器１０６に接続されている。また、半導体素子１０２の上面は、絶縁樹脂１０５を介して放熱器１０６に接続されているエミッタ電極１０４と、ボンディングワイヤ１０８により接続されている。
半導体素子の電極と放熱器とを絶縁樹脂にて接合したパワーモジュールとしては、特許文献１に示すようなパワーモジュールも知られている。

このような構成のパワーモジュール１０１の、コレクタ電極１０３およびエミッタ電極１０４と、放熱器１０６とを、絶縁樹脂１０５により接続する場合、シート状に形成された熱硬化性の絶縁樹脂１０５を放熱器１０６と電極１０３・１０４とで挟み込んで加圧した上で加熱し、絶縁樹脂１０５を硬化させることで、接続を行っている。
絶縁樹脂１０５の加熱硬化は、パワーモジュール１０１全体を高温槽の雰囲気により加熱することで行っている。

特開平１１−２０４７００号公報

前述のシート状に形成された熱硬化性の絶縁樹脂１０５を加熱すると、未硬化状態の絶縁樹脂１０５は熱により軟化するとともに、架橋反応による硬化が始まる。
そして、加熱された絶縁樹脂１０５の粘度は加熱開始から硬化するまでの間に変化するが、加熱開始時は未硬化状態の絶縁樹脂１０５の軟化による影響が大きく、加熱開始から時間が経つにつれて硬化による影響が大きくなってくるため、加熱開始から粘度は一旦低下した後上昇に転じるという特性を示す。

ここで、常温では、放熱器１０６と電極１０３・１０４とで絶縁樹脂１０５を挟み込んで加圧しただけでは、放熱器１０６および電極１０３・１０４の表面粗度や絶縁樹脂１０５自体の厚みの不均一性により、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５とを隙間なく密着させることは困難である。
しかし、加熱により絶縁樹脂１０５の粘度を十分に低下させることができれば、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５との間、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５との間にできる気泡を押し出して、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５とを密着させることができる。
逆に、加熱による絶縁樹脂１０５の粘度低下が不十分であると、図６に示すように、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５との間、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５との間にできる気泡１１０を完全に追い出すことができず、気泡１１０が残留してしまう。

このように、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５とを隙間なく密着させるためには、加熱により絶縁樹脂１０５の粘度を十分に低下させることが重要であるが、従来のように、パワーモジュール１０１を高温槽の雰囲気にて加熱した場合は、パワーモジュール１０１の熱容量が大きいことと、雰囲気を通じて加熱の熱交換率の低さから、絶縁樹脂１０５の温度は緩やかに上昇する。
絶縁樹脂１０５の温度が緩やかに上昇すると、絶縁樹脂１０５は、あまり軟化しないうちに硬化が進行するので、粘度が十分に低下せず、放熱器１０６と絶縁樹脂１０５との間、および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５との間に気泡が残留してしまう。

放熱器１０６および電極１０３・１０４と絶縁樹脂１０５との接合部における気泡が残留した箇所は、絶縁樹脂１０５が密着ている部分よりも熱伝導率が低いため、パワーモジュール１０１の半導体素子１０２から放熱器１０６への放熱性が低下するという問題が発生する。
また、パワーモジュール１０１の作動時に気泡部分に電界が集中するため、気泡部分で絶縁樹脂１０５が絶縁破壊し、絶縁性を維持することができなくなってしまうという問題も発生する。

上記課題を解決するパワーモジュールの絶縁樹脂硬化方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、パワーモジュールの電極と放熱器との間に介在させた絶縁樹脂を硬化させる方法であって、パワーモジュールの半導体素子に通電して発熱させ、半導体素子の温度を温度検出手段により検出し、検出した半導体素子温度に応じて半導体素子へ通電する電力の大きさを制御する。
これにより、パワーモジュールを急激に温度上昇させて、絶縁樹脂の粘度を雰囲気加熱の場合よりも低下させることができ、放熱器と絶縁樹脂との間、および電極と絶縁樹脂との間の気泡を、容易に追い出すことが可能となる。
そして、放熱器と絶縁樹脂、および電極と絶縁樹脂とを、気泡無く接合して密着させることができる。
従って、パワーモジュールの半導体素子から放熱器への放熱性を維持することができ、信頼性向上を図ることもできる。
また、素早く温度上昇させることができるので、絶縁樹脂の加熱・硬化に要する時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。
さらに、本絶縁樹脂硬化装置は、パワーモジュールの半導体素子自身を加熱源としているので、高温炉等の大掛かりな設備が必要でなく、設備投資を低減して製品の低コスト化を図ることができる。

また、請求項２記載の如く、パワーモジュールの電極と放熱器との間に介在させた絶縁樹脂を硬化させる装置であって、パワーモジュールの半導体素子に通電するための電源と、半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、検出した半導体素子温度に応じて半導体素子へ通電する電力の大きさを制御する制御手段とを備える。
これにより、パワーモジュールを急激に温度上昇させて、絶縁樹脂の粘度を雰囲気加熱の場合よりも低下させることができ、放熱器と絶縁樹脂との間、および電極と絶縁樹脂との間の気泡を、容易に追い出すことが可能となる。
そして、放熱器と絶縁樹脂、および電極と絶縁樹脂とを、気泡無く接合して密着させることができる。
従って、パワーモジュールの半導体素子から放熱器への放熱性を維持することができ、信頼性向上を図ることもできる。
また、素早く温度上昇させることができるので、絶縁樹脂の加熱・硬化に要する時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。
さらに、本絶縁樹脂硬化装置は、パワーモジュールの半導体素子自身を加熱源としているので、高温炉等の大掛かりな設備が必要でなく、設備投資を低減して製品の低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、パワーモジュールを急激に温度上昇させて、絶縁樹脂の粘度を雰囲気加熱の場合よりも低下させることができ、放熱器と絶縁樹脂との間、および電極と絶縁樹脂との間の気泡を、容易に追い出すことが可能となる。そして、放熱器と絶縁樹脂、および電極と絶縁樹脂とを、気泡無く接合して密着させることができる。
これにより、パワーモジュールの半導体素子から放熱器への放熱性を維持することができ、信頼性向上を図ることもできる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
本発明のパワーモジュールの絶縁樹脂硬化装置について説明する。
図１に示す絶縁樹脂硬化装置は、パワーモジュール１と、パワーモジュール１のゲート電極１ａとエミッタ電極１ｂとの間に接続されるゲート電源３と、パワーモジュール１のコレクタ電極１ｃとエミッタ電極１ｂとの間に接続されるコレクタ電源２と、パワーモジュール１の温度を検出する温度検出器４と、パワーモジュール１の作動を制御する制御部５と、パワーモジュール１の目標温度を制御部５に入力する入力部６とを備えている。

図２に示すように、パワーモジュール１は、半導体素子１１の下面がはんだ１４によりコレクタ電極１ｃと接続され、コレクタ電極１ｃは、絶縁樹脂１２を介して放熱器１３に接続されている。また、半導体素子１１の上面は、絶縁樹脂１２を介して放熱器１３に接続されているエミッタ電極１ｂと、ボンディングワイヤ１５により接続されている。
絶縁樹脂１２は、シート状の熱硬化性樹脂にて構成されている。

また、前記ゲート電源３は、半導体素子１１がオンするのに十分な電圧を備えており、コレクタ電源２は、制御部５により電圧を制御することが可能となっている。
そして、コレクタ電源２により半導体素子１１に通電することで、パワーモジュール１の温度を上昇させるように構成している。
制御部５にはパワーモジュール１の温度を何度にまで上昇させるかの目標温度が入力部６から予め入力されており、該制御部５には、この目標温度と温度検出器４にて検出されたパワーモジュール１の温度とを比較し、その偏差に基づいてＰＩ制御等によりコレクタ電源２の電圧制御を行う、フィードバック制御系が構成されている。

ここで、半導体素子１１における、ゲート電位をエミッタ電位に対して十分に高い電圧に保持した場合の、エミッタ電流−コレクタ・エミッタ間電圧特性は、図３に示すようになる。
図３からわかるように、コレクタ・エミッタ間電圧を制御することで（すなわちコレクタ電源２の電圧を制御することで）、エミッタ電流を制御することができ、これにより、半導体素子１１の自己発熱量（＝エミッタ電流×コレクタ・エミッタ間電圧）を制御することが可能となっている。

このように構成される絶縁樹脂硬化装置を、入力部６から制御部５へ目標温度を入力した上で作動させると、制御部５によりコレクタ電源２が制御されて半導体素子１１に通電がなされる。
この通電の初期においては、半導体素子１１の温度が目標温度に対して低いため、コレクタ電源２は制御部５により電圧が高くなるように制御され、半導体素子１１には大電流が流れて発熱し始める。
やがて半導体素子１１の発熱によりパワーモジュール１の温度が目標温度に近づいてくると、制御部５はコレクタ電源２の電圧を下げる制御を行い、パワーモジュール１の温度は目標温度で均衡することとなる。
なお、目標温度は、半導体素子１１の動作可能上限温度よりも低い温度で、かつ絶縁樹脂１２の硬化温度よりも高い温度に設定する。

半導体素子１１への通電開始からのパワーモジュール１におけるエミッタ電極１ｂおよびコレクタ電極１ｃの温度は、図４に示すように変化する。つまり、発熱する半導体素子１１と各電極１ｂ・１ｃとは、はんだ１４にて接続されているため、各電極１ｂ・１ｃも半導体素子１１と略同時に温度上昇し、目標温度Ｔ１に達するとその温度に維持される。
そして、図４に実線で示す、本絶縁樹脂硬化装置での加熱による温度上昇は、図４に点線で示す、高温槽により雰囲気加熱した場合の温度上昇に比べて速くなっている。

図５には、パワーモジュール１の加熱開始からの経過時間による絶縁樹脂１２の粘度変化を示している。
図５に示すように、高温槽による雰囲気加熱を行った場合のように、緩やかに温度上昇した場合には絶縁樹脂１２の粘度はＰ１までしか低下しないが、本絶縁樹脂硬化装置にて半導体素子１１を直接発熱させた場合のように、急激な温度上昇を実現できる場合には、Ｐ１よりも低い粘度Ｐ２まで絶縁樹脂１２の粘度を低下させることが可能となる。

このように、雰囲気加熱の場合よりも低い粘度Ｐ２まで絶縁樹脂１２の粘度を低下させることができるので、絶縁樹脂１２を放熱器１３と電極１ｂ・１ｃとで挟み込んで加圧したときに生じる、放熱器１３と絶縁樹脂１２との間、および各電極１ｂ・１ｃと絶縁樹脂１２との間に気泡を、容易に追い出すことが可能となって、放熱器１３と絶縁樹脂１２、および各電極１ｂ・１ｃと絶縁樹脂１２とを、気泡無く接合して密着させることができる。

これにより、パワーモジュール１の半導体素子１１から放熱器１３への放熱性を維持することができ、信頼性向上を図ることもできる。
また、素早く温度上昇させることができるので、絶縁樹脂１２の加熱・硬化に要する時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。
さらに、本絶縁樹脂硬化装置は、パワーモジュール１の半導体素子１１自身を加熱源としているので、高温炉等の大掛かりな設備が必要でなく、設備投資を低減して製品の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施例では制御部５によりコレクタ・エミッタ間電圧を制御する例を示したが、本絶縁樹脂硬化装置におけるパワーモジュール１の温度制御は、半導体素子１１の動作可能上限温度よりも低い温度で、かつ絶縁樹脂１２の硬化温度よりも高い温度に制御すればよいので、以下のような制御を行うことも可能である。
すなわち、コレクタ・エミッタ電圧を一定として、ゲート電圧を制御することによりエミッタ電流を変化させて半導体素子１１の発熱量を調節してもよく、また、コレクタ・エミッタ電圧を一定として、ゲート電極１ａに与えるパルス電圧の時間幅を制御して半導体素子１１の発熱量を調節することもできる。

本発明の絶縁樹脂硬化装置を示す回路図である。パワーモジュールを示す側面図である。半導体素子のコレクタ・エミッタ間電圧とエミッタ電流との関係を示す図である。半導体素子への通電開始からのパワーモジュール電極の温度の経時変化を示す図である。半導体素子への通電開始からの絶縁樹脂の粘度の経時変化を示す図である。従来の方法により絶縁樹脂を硬化させた場合に、パワーモジュールにおける放熱器と絶縁樹脂との間、および電極と絶縁樹脂との間に気泡が残留した状態を示す図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２コレクタ電源
４温度検出器
５制御部
１１半導体素子
１２絶縁樹脂
１３放熱器

Claims

パワーモジュールの電極と放熱器との間に介在させた絶縁樹脂を硬化させる方法であって、
パワーモジュールの半導体素子に通電して発熱させ、半導体素子の温度を温度検出手段により検出し、検出した半導体素子温度に応じて半導体素子へ通電する電力の大きさを制御することを特徴とするパワーモジュールの絶縁樹脂硬化方法。
パワーモジュールの電極と放熱器との間に介在させた絶縁樹脂を硬化させる装置であって、
パワーモジュールの半導体素子に通電するための電源と、
半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、
検出した半導体素子温度に応じて半導体素子へ通電する電力の大きさを制御する制御手段とを備えることを特徴とするパワーモジュールの絶縁樹脂硬化装置。