JP2006004961A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
金属ベースに冷却水を直接当てて冷却する構造のパワー半導体モジュールにおいて、低熱抵抗，低コスト，高信頼のモジュール構造、及び、実装構造を提供する。
【解決手段】
絶縁基板接着面周囲には、金属ベースに密着するように、剛性の大きな金属フレームが配置されている。本構造で、金属フレームと金属ベース、及び、筐体を伴締めして冷却水を確実に封止できる。
金属ベースは、厚さが回路パタン付絶縁基板よりも薄く、焼鈍されている等により、剛性が小さく柔らかい。この構造で、金属ベースが変形することで絶縁基板接着層の歪は緩和され高信頼となる。
【効果】
高信頼，低熱抵抗、かつ、低コストな直冷型パワー半導体モジュールを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Insulated Gate Bipolar Transistor（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構造、及び、その実装構造に関する。特に、モジュールの金属ベースに冷却水を直接あてて冷却する、直接水冷型ＩＧＢＴモジュールに関する。

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。

一般に、フィンが形成されたアルミダイカスト製筐体に銅ベースを高熱伝導グリースで固着して放熱する構造である。さらには、冷却性能を向上させるため、高熱抵抗のグリースを削除するため、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。

このような本構造の一例を、断面構造模式図で図６に示す。ＩＧＢＴチップ１１０，
Free Wheeling Diode（ＦＷＤ）チップ１１２をはんだ接着した窒化アルミ基板１１４を、フィン６０２が形成されたフィン付銅ベース６０１にはんだ接着している。フィン高さ６０５，フィン幅６０３、及び、フィン間隔６０４を最適設計することで、フィン無しの平板の場合と比べて、大幅な熱伝達の向上が実現できる。従って、ＩＧＢＴチップ１１０，ＦＷＤチップ１１２から冷却水までの大幅な低熱抵抗化を実現できる。

このような図６に示す構造である、いわゆる、フィン付金属ベース直接冷却構造についての公知例は、特開平１１−６４０３９３号公報，特開平１０−１７８１５１号公報，特開平１１−１２１６９１号公報等がある。

特開平１１−６４０３９３号公報 特開平１０−１７８１５１号公報 特開平１１−１２１６９１号公報

図６に示す従来の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。

ＩＧＢＴモジュールは、ＩＧＢＴ，ＦＷＤチップをはんだ接着等の手段で固着した絶縁基板、例えば窒化アルミ基板を、銅ベース等の金属ベース上にはんだ接着等の手段で接着した構造である。動作により、ＩＧＢＴモジュール中の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銅，アルミニウム等の金属と、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り、さらには、接着層の中で、絶縁基板接着層の大きさが一般に一番大きい。従って、金属ベースと絶縁基板を接着する、はんだ層等の接着層は、ＩＧＢＴモジュール中で最大の熱歪みが一般に発生する。

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ＩＧＢＴモジュールの温度変化振幅，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。

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大幅に高い、等のデメリットがある。また、金属ベースの材質をＡｌＳｉＣ，Ｃｕ／Ｍｏ等の低熱膨張金属にすることも考えられる。しかしながら、低熱膨張金属は、Ｃｕに比べて熱伝導率は低いため、熱抵抗は大きくなってしまう、さらには、Ｃｕに比べて大幅に高コストである、の不具合がある。

以上、従来構造の問題点を鑑みて、本発明は、ＩＧＢＴ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、低熱抵抗を維持したまま、低熱膨張ベース並とできる、高信頼の構造を提供することが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、少なくとも電流のオンオフをスイッチングする半導体素子が電気的に接続される回路を有する絶縁基板が接着する接着面の反対面に冷却媒体が接触して半導体素子またはモジュールを冷却するものであって、金属ベースの絶縁基板との接着面周囲に金属ベースに密着するように配置された金属フレームと、絶縁基板を格納する筐体とを有し、金属フレームと金属ベース、及び、筐体を密着させて冷却水を封止することにある。

本発明によれば、パワー半導体チップが搭載されたセラミックス基板が接着される放熱板は、厚さが回路パタン付セラミックス基板より薄く、かつ、焼鈍されている等の構造により、柔らかくなっている。このため、放熱板は、セラミックス基板接着層の歪を緩和するように変形できることにより、温度変化によって生じる接着層の熱歪を緩和する効果がある。

放熱板を強固なヒートシンクヘグリース等で固着することがないので、柔らかい金属ベース周囲の高剛性の金属フレームによって、Ｏリング等の冷却水封止部材を信頼性高く取り付けることを可能にする。

さらに、パワー半導体モジュール重量の大部分を占める金属ベースを極めて薄くするため、本構造は、従来の構造と比べて、大幅に軽量化できる効果がある。

以下に、図１，図２，図３を使用して本発明の要旨を説明する。図１は本発明の基本構造の断面模式図（フィン垂直方向）、図２は平面模式図、及び、フィン長手方向断面模式図、図３は本発明モジュールの取り付け部模式図（フィン垂直方向）である。

温度変化、及び、各構造部材の線膨張係数の差によって生じる熱歪は、上記のように、歪を緩和するように構造部材が変形することにより緩和される。例えば、銅ベースに窒化アルミ基板をはんだ接着した場合、温度が上昇すると、銅ベースの基板接着面の対向面が凸になるように変形して歪は緩和される。しかしながら、銅ベースは、一般に厚さ３mm以上と厚く、剛性が高いために変形しづらく、歪は緩和されづらい。さらには、ヒートシンクにグリース等で固着すると、ヒートシンクと銅ベースは一体になるため、銅ベースはますます変形できなくなり、歪は増大する。従来のＩＧＢＴモジュールの銅ベース厚さが、一般に３mm以上と厚いのは、熱拡散板としての働きをさせるためと、ＩＧＢＴモジュールの反りを低減するため、さらには、グリースでヒートシンクへ固着する際、グリースの反力に負けて変形することなく、グリース厚さを均一にし易くするためである。

しかしながら、発明者らは、直接水冷構造の場合、グリースで固着する必要が無く、さらには、冷却水が直接当たるため、反りが少々大きくても問題ないことに気づいた。つまり、銅ベース厚さを薄くしても直接水冷においては、デメリットは少なく、より自由に熱変形できるために、熱歪を大幅に緩和できるのである。さらには、直接水冷の場合、熱はそれほど拡散せず、効率よく、パワーチップ直下に流れる、つまり、銅ベースに熱拡散板としての効果は持たせなくても低熱抵抗化できる。

図１において、コルゲートフィン付銅ベース１０１は、厚さ１mm以下と薄く、さらにはコルゲートフィン１１５も１mm以下と同じ厚さである。このように薄い銅ベース、及び、フィンとすることで、フィン垂直方向（短辺方向）では、銅ベース１０１の剛性は低下し、大きく熱変形でき、基板接着はんだ層１１３の歪は大幅に低減できる。しかしながら、フィン１１５は銅ベースに対して、梁の効果があるため、フィン方向の銅ベース１０１剛性は増大してしまう。フィン長手方向の断面模式図である図２（ｂ）は、このことの対処法を示している。コルゲートフィン１１５を３分割することにより、フィンが存在しない部分２１４で変形し易くなり、フィン長手方向の剛性も低減できる。

上記解決法の欠点は、金属ベースが低剛性のため、Ｏリング等の冷却水封止部材を信頼性高く、圧縮しづらいことである。このことに対処するため、図１，図３に示すように、ＩＧＢＴモジュール１００周囲に、鋼板等で製造された補強フレーム１０２を設けている。本構造とすることにより、図３に示すように、Ｏリング３０３を信頼性高くボルト305で圧縮できる。冷却水漏水の懸念を回避することができる。尚、補強フレーム１０２の熱伝導率は低くても何ら悪影響無いため、安い材料で製造する事ができる。

以上、本発明の特徴を述べた。上述以外の本発明の特徴は、以下の本発明の実施例で明らかとなる。

本発明実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。

図１，図２，図３，図１２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。

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１０６，制御端子，ケース，取り付け部補強フレーム１０２等を省略し、銅ベース１０１，ＩＧＢＴ１１０，ＦＷＤ１１２等をはんだ接着した銅貼り窒化アルミ基板１１４，主端子用電極パッド
２０７，制御端子用電極パッド２０４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１１４表面の銅製回路パタン，はんだ接着用の裏面銅パタン，半導体チップと窒化アルミ基板１１４の銅製回路パタン接着はんだ層１１１，窒化アルミ基板１１４と銅ベース１０１の接着はんだ層１１３は省略している。

窒化アルミ基板１１４の大きさは２.６cm×５cm で、チップサイズ１１mm□のＩＧＢＴチップ１１０，チップサイズ６mm×９mmのＦＷＤチップ１１２各２チップが、融点３００℃以上の高温はんだ層１１１（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１１４には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用のシリコンチップ抵抗２０２，温度検出用サーミスタ２０３がはんだ接着されている。ＩＧＢＴチップ１１０，ＦＷＤチップ１１２と窒化アルミ基板１１４上エミッタパタン２１１，ゲートパタン２０１との接続は、アルミワイヤ２０８，２１０，２０９で行う。本ワイヤの線経は３００μｍφである。アルミワイヤ２０８，２１０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１１４と銅ベース１０１は、融点１８０℃程度のはんだ層１１３（図１参照）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１１４と主端子，制御端子用電極パッド２０７，２０４との接続も同じくアルミワイヤ１０７，２０６で行われる。このワイヤの線経は５００μｍφである。アルミワイヤ
２０８，２１０，２０９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１０７，２０６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１０７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１１４から構成され、合計６枚の基板１１４が大きさ１０cm×２３cm、厚さ１１７が１mmの銅ベース１０１にはんだ接着されている。

図２（ｂ）に図示しているように、コルゲートフィン１１５は長手方向で３分割されている。分割領域２１４の幅は１mmである。コルゲートフィン１１５は、梁の働きがあるため、長手方向の剛性が大きくなる。分割する理由は、このことをできるだけ防止するためである。長手方向の全体長さ２１３は１７cmである。

図１は、図２のＢＢ断面模式図である。本図では、図２では省略した端子一体ケース
１０３，モジュール内部を封止するゲル１０９，モジュールカバー１０８，ＩＧＢＴチップ１１０，ＦＷＤチップ１１２接着はんだ層１１１，窒化アルミ基板１１４接着はんだ層１１３等も表現している。但し、ＩＧＢＴチップ１１０，ＦＷＤチップ１１２上のアルミワイヤは省略している。主端子１０６をインサート成型した端子一体ケース１０３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１０６への主配線取り付けはボルト締めとするため、Ｍ６ナット１０５，ボルト逃げ用空隙１０４が設けられている。

コルゲートフィンを形成する波形に折り曲げられた銅板のコルゲートフィン１１５の厚さ１１８は１mmで、折り曲げ間隔１２０，１２１は２mm、折り曲げ高さ１１９は５mmである。これらの寸法は、厚さ１１８を厚くしない（１mm以下）条件で、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。この銅板１１５は、融点７００℃程度の銀ローで銅ベース１０１に接着されている。銅板１１５、及び、銅ベース１０１の材質は、無酸素銅である。従って、フィン１１５、及び、銅ベース１０１は、焼鈍されるため、極めて柔らかくなっている。降伏応力は３０Ｍｐａ程度以下である。この柔らかさが、窒化アルミ基板接着はんだ層の低歪化につながる。

本モジュールに、筐体、及び、水路カバーを取り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（ＡＤＣ１２）製筐体３０７、及び、水路カバー３０４を取り付けた場合の模式図を示している。制御端子用電極パッド２０４は省略している。水路全体の幅は５cmである。本模式図では、フィン１１５と水路カバー304の間に隙間があるが、設計によっては、フィン１１５と水路カバー３０４を接触させることは可能である。上述のように、本発明のフィン、及び、ベースは極めて柔らかいために、変形できるためである。フィン１１５と水路カバー３０４を接触させる効果は、余計な隙間を無くす事により、冷却水の流速を増大させる事、及び、水路カバー３０４への熱伝達を促進する、の２点から、熱抵抗を低減させる事である。フィン１１５と水路カバー
３０４が接触していると仮定すると、形成される冷却水路３０１，３０２の形状は、高さ５mm，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、ＩＧＢＴモジュール１００の筐体３０７への取り付けをＯリング３０３で行って実施している。Ｏリング取り付け用に、筐体３０７に溝３０６を設けている。Ｏリング303の線径は１.９mmφ、溝３０６の深さは１.４mmである。また、モジュールはＭ６ボルト
３０５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。

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
（ＬＬＣ）を、流量１０Ｌ／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、１ｍ／ｓである。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０.１３Ｋ／Ｗ となった。参考のため、図６に示す従来例のＲｔｈ(ｊ−ｗ)を測定した。図６の従来例と、本発明のフィン構造は概略同じである。従って、Ｒｔｈ(ｊ−ｗ)はほぼ同一である事が予測できた。結果、同じく１アーム当たりＲｔｈ(ｊ−ｗ)＝０.１２Ｋ／Ｗと本発明と同程度である事を確認できた。本発明の方がわずかにＲｔｈ(ｊ−ｗ)が大きいのは、銅ベースが薄くなる事により、熱拡散量が減少し、伝熱面積が低減したためである。

また、給排水管間の圧力損失を測定すると３ｋＰａ程度であった。この値は、図６の従来例と同じであった。

以上のように、従来のフィン付銅ベース直接水冷モジュールの熱抵抗と、本発明の熱抵抗はほぼ同じである事が分かった。すなわち、銅ベースの厚さを薄くしても、熱抵抗は増大しないことが確認できた。即ち、動作による温度上昇は従来と変わらず、ベースが柔らかい効果でＡｌＮ基板接着はんだ層の歪を低減できるので、大幅な寿命向上が期待できる。はんだ層の歪の実測は困難なため、有限要素法によるシミュレーションで本構造の窒化アルミ基板１１４下はんだ層１１３の歪を解析した。温度振幅は１６５℃である。低熱膨張材であるＡｌＳｉＣベースの場合と比較して、結果を図１２に示す。ＡｌＳｉＣの場合の歪を基準として、相対比較で表している。銅ベース厚さが３mmと厚く、剛性が大きい場合には、歪はＡｌＳｉＣの２.５ 倍程度に増大してしまう。このことは、寿命は概略１桁低減する事を意味する。銅ベース厚さを１mmに薄くし、焼鈍することにより柔らかくすると、歪は減少しＡｌＳｉＣの１.８倍程度になる。厚さ３mmの場合と比べると歪は０.７倍である。従って、厚さ３mmと比べて寿命は概略２倍以上増大する。さらに薄くなり、0.5
mmになると、歪はＡｌＳｉＣの場合と同じになる。すなわち、本発明により、従来と比べて、ＡｌＮ基板はんだ寿命は１桁程度増大することが期待できる。

ＡｌＳｉＣベースのコストは、銅ベースの数倍である。従って、本発明により、寿命はＡｌＳｉＣベースと同程度で、コストの大幅な低減を実現できる。

耐漏水性能試験の結果、耐漏水圧力は５００ＭＰａ以上であることを実測した。つまり、鉄系合金製の本発明による補強フレーム１０２が有効に働いている事が分かった。自動車用水冷インバータに冷却水を通流する電動ポンプは通常５０Ｋｐａ程度以下の吐出圧力である。従って、５００ＭＰａ以上の耐漏水性は、使用上全く問題とならない。

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。

実施例１に示すように、通常のＩＧＢＴモジュールは、パワーチップが搭載された基板が収納されたモジュールケース中にシリコーンゲルを注入して封止される。本実施例は、シリーコンゲルの替わりにエポキシ樹脂でＡｌＮ基板をトランスファモール（ＴＭ）している。本ＰＫＧ４０１底面を本発明の放熱板であるコルゲートフィン付銅ベース１０１にはんだ接着して放熱している。パワーチップ、及び、ＰＫＧ４０１を接着するはんだは、実施例１と同じである。モジュール端子への接続はＰＫＧ４０１に接続用リードフレーム４０２を設けて、本リードフレーム４０２を例えば主端子１０６へはんだ接着して行われる。本実施例の特徴は、第一に、シリコーンゲルと比べてＴＭ樹脂は高熱伝導(５倍以上)のため、パワーチップ上のＡｌワイヤボンディングの温度が低温化できること、第二に、ハードレジンであるＴＭ樹脂でがっちりと固めるため、ＰＫＧ中の部材の歪は分散・緩和され、シリコーンゲル封止と比べて極めて高寿命にできることである。例えば、Ａｌワイヤ寿命は５倍以上の高寿命が期待できる。

熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｗ)は、セラミックス基板，フィン付銅ベース構造が同一のため、実施例１と同じである。実施例１と同条件で測定すると、Ｒｔｈ(ｊ−ｗ) ＝０.１３Ｋ／Ｗであった。

第三の実施例を、図５を使用して説明する。図５は、図１，図４と同様に、断面構造模式図を示している。

上記実施例１，２は、本発明ＩＧＢＴモジュールをＯリングで取り付けて冷却水を封止するものであった。本構造は、冷却水封止手段として高信頼の実績があることである。一方で、Ｏリング３０３＋補強フレーム１０２でがっちり固定されるため、銅ベース１０１周囲は拘束されるため、本発明の特徴である、柔らかい銅ベース１０１の変形を、わずかではあるが拘束してしまう欠点がある。

そこで、本実施例ではフィン付銅ベース５０４をシリコーン樹脂系のモジュール取り付け用接着材５０２で筐体５０３へ接着して冷却水を封止している。本構造とする事により、動作時の発熱・冷却で銅ベース５０４は伸び縮みするが、それに伴い、接着材５０２も伸び縮みする。銅ベース５０４の剛性よりも接着材５０２の方が低剛性のため、より変形し易いためである。即ち、本実施例の場合、実施例１，２よりもさらに銅ベースは変形し易い。従って、さらなる高寿命が期待できる。

熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｗ)は、セラミックス基板，フィン付銅ベース構造が同一のため、実施例１，２と同じである。実施例１と同条件で測定すると、Ｒｔｈ(ｊ−ｗ) ＝０.１３Ｋ／Ｗであった。課題の耐漏水圧力も５００ＭＰａ以上であることを実測した。

尚、本実施例銅ベース５０４の形状は、実施例１，２と同じにしている。しかしながら、本実施例の場合、モジュール取り付け用ボルトの穴が必要ないため、実施例１，２よりも小型化できる。

第四の実施例を、図７を使用して説明する。図７は、図１，図４，図５と同様に、断面構造模式図を示している。

これまでの実施例は、焼鈍された柔らかい薄板銅ベースを使用して、窒化アルミ(AlN)基板接着はんだ層を低歪化するものであった。銅ベースは柔らかいため熱応力を解放するように変形し、窒化アルミ（ＡｌＮ）基板接着はんだ層は低歪化される。しかしながら、銅，窒化アルミ（ＡｌＮ）の線膨張係数は、各々１６.５ppm，４.５ppmであり、線膨張係数のミスマッチは大きく、わずかに硬くなることによって、窒化アルミ（ＡｌＮ）基板接着はんだ層が高歪になる可能性はある。本実施例は、この線膨張係数ミスマッチを解消し、さらなる低歪化を実現したものである。本実施例において、金属ベース７０１の材質は、低熱膨張材であるカーボン／アルミ複合材である。線膨張係数は７ppm と銅に比べて大幅に小さく、かつ、熱伝導率は銅並みの３００Ｗ／ｍＫである。従って、低熱抵抗／高寿命ベースとして、極めて優れた材質である。欠点は、低剛性，低強度である。すなわち、通常の金属ベースのように、ボルトで取り付けることが不可能なことである。そこで、これまでの実施例と同様、本発明の補強フレーム１０２を使用して取り付けを行っている。

本発明では、低熱膨張金属ベースを使用しているため、本質的に窒化アルミ基板１１４接着はんだ層の歪は小さい。従って、温度上昇は、これまでの実施例よりも増大しても低歪は維持できる。従って、コルゲートフィン７０７の板厚７０３は０.５mm と薄くし、フィン間隔７０５，７０６は３mm，２mmと、これまでの実施例よりも平均間隔を大きくしている。フィン高さ７０４は５mmである。また、金属ベース７０１の厚さ７０２は２mmである。

上記フィン構造に、これまでと同じ条件の冷却水を通流して、Ｒｔｈ(ｊ−ｗ)を測定した。本実施例の場合、冷却水の平均流速は０.８ｍ／ｓ である。冷却水流速の低減、及び、金属ベースの低熱伝導率（カーボン／アルミ複合材：３００Ｗ／ｍＫ，銅：３９８Ｗ／ｍＫ）で、わずかに熱抵抗は増大し、０.１４Ｋ／Ｗであった。

第五の実施例を、図８を使用して説明する。図８は、図１，図４，図５，図７と同様に、断面構造模式図を示している。モジュール８００取り付け個所の断面である。

これまでの実施例は、モジュールに補強フレーム１０２を内蔵させ、Ｏリング３０３等の冷却水封止手段を使用してボルトで取り付けるものであった。しかしながら、自動車用インバータの場合、アルミダイカストのような硬い筐体を使用することを考慮すると、この筐体と、同じくアルミダイカスト製の硬い水路カバーで挟み込んで取り付けることも可能である。図８はこの構造を実現したものである。銅ベース８０２の材質，板厚，コルゲートフィン１１５の材質，形状は実施例１と同一である。すなわち、冷却能力、及び、
ＡｌＮ基板接着はんだ層の信頼性は実施例１と同じである。

本実施例では、筐体８０１の底面からＩＧＢＴモジュール８００を挿入している。さらに、フィン１１５を覆うように水路カバー８０３を取り付けている。銅ベース８０２は、筐体８０１，水路カバー８０３で挟み込んで、ボルト３０５で３者を伴締めすることで取り付けられている。補強フレーム１０２は存在せず、Ｏリング３０３を、筐体８０１，水路カバー８０３で挟み込んで圧縮する事により冷却水を封止している。即ち、筐体８０１が補強フレームの役割も果している。本構造のもう一つの特徴は、万が一Ｏリング３０３が劣化し水漏れを起こしても、冷却水は筐体８０１中へ浸入することはなく、高電圧部品被水の危険性がないことである。

耐漏水圧力は５００ＭＰａ以上を確認し、自動車への実装上問題ないことが分かった。

第六の実施例を、図９を使用して説明する。図９は、図１，図４，図５，図７，図８と同様に、断面構造模式図を示している。

これまでの実施例は、焼鈍された薄板銅ベース、又は、カーボン／アルミ複合材ベースにコルゲートフィンをロー付け等の手段で接着するものであった。コルゲートフィンは、接着領域の幅を広く取れる等、製造が容易なため、安価にフィン付銅ベースを製造できる利点がある。一方で、コルゲートフィンの板厚によって、わずかながらも銅ベースの剛性が増大してしまう欠点がある。本実施例は、この欠点を削除したものである。

本実施例では、短冊状のフィン９０２を薄板銅ベース９０１にロー付けしている。フィン高さ９０３／幅９０５／間隔９０４／本数は５mm／１mm／２mm／１６本と、実施例１と同じである。従って、フィン効率，平均流速とも実施例１と概略同じであるため、冷却能力は同じである。本構造とすることにより、幅１mmとコルゲートフィンの場合と比べると狭い幅を多数ロー付けする必要があり、製造的にはコルゲートフィンと比べるとより高度な工程が必要になる。しかしながら、フィン付銅ベースの剛性は、コルゲートフィンと比べるとより低くなるため、さらなる高寿命化が期待できる。

第七の実施例を、図１１を使用して説明する。図１１は、図１，図４，図５，図７，図８，図９と同様に、断面構造模式図を示している。

実施例６で、コルゲートフィン付銅ベースの剛性を下げる手段について示した。本実施例は、さらなる低剛性化を測ったものである。

ストライプ型フィンは、銅ベースの梁の働きをもつため、フィン方向の剛性増大は避けられない。上述の実施例のように、フィン長手方向で分割しても、わずかながら剛性は増大してしまう。フィン形状のもう一つの代表例であるピンタイプフィンは、銅ベースの剛性を平板ベースと比べて増大させる事は無い。細いピンが多数孤立して配置されるため、フィン間で銅ベースは自由に変形できるためである。本ピンタイプフィンを採用したのが本実施例である。

平均直径１１０３が１mm，高さ５mmのピンフィン１１０２が薄板銅ベース１１０１にロー付けされている。ピンフィン１１０２の平均間隔１１０４は２mmである。モジュール
１１００短辺方向ある一断面で見ると、ピンフィン１１０２の本数は１６本である。また、モジュール長手方向に８５列形成されている。これらのピンフィンが銅ベース１１０１の長手方向にちどり配置されている。即ち、モジュール短辺方向ある列のピンフィン1102は、隣の列のピンフィン１１０２間中央に位置するのである。この配列とする事で、冷却水流れの乱流化が促進され、放熱能力は増大する。

これまでの実施例と同様の冷却水条件でＲｔｈ(ｊ−ｗ) を実測すると、０.１２Ｋ／Ｗであった。実施例１と比べて一割程度改善できた。これは、ストライプフィンと比べて、乱流効果の大きいピンフィンのため、熱伝達が促進されたためである。しかしながら、圧力損失は、５ｋＰａと実施例１の３ｋＰａと比べて５割以上増大してしまう事も分かった。この圧力損失増大を抑制するためには、冷却水流量の低減，ピンフィン１１０２間隔の増大によって実現できる。いずれの手段も、圧力損失低減に対する効果のほうが、熱抵抗増大に対する効果よりも大きいため、Ｒｔｈ(ｊ−ｗ)増大を小さく抑えながら圧力損失を低減できる。

第八の実施例を、図１０を使用して説明する。図１０は、図１，図４，図５，図７，図８，図９，図１１と同様に、断面構造模式図を示している。

これまでの実施例は、低剛性の金属ベースにＡｌＮ基板をはんだ接着する構造であった。本構造とする事で、従来構造と比べ、ＡｌＮ基板接着はんだ層は低歪化でき、高寿命化できる。しかしながら、モジュールの寿命を決定するのは、依然としてＡｌＮ基板接着はんだ層であると考えられる。従って、より抜本的な高寿命モジュールを実現するためには、金属ベースとＡｌＮ等のセラミックスを一体とし、接着はんだ層を削除する事が望まれる。本実施例はこのことを実現した実施例である。

本実施例では、セラミックスを窒化シリコン１００３とし、厚さは０.３mm としている。図１０では、窒化シリコン１００３表面にロー付けされている無酸素銅製回路パタンを省略している。この回路パタンの厚さは０.５mm である。セラミックス１００３は無酸素銅製薄板ベース１００１に７００℃程度の高温でロー付けされるため、大きな熱応力を受ける。従って、これまでの実施例のＡｌＮから窒化シリコンへ材質を替えて、セラミックスの靭性を高くしているのである。窒化シリコン１００３と回路パタンの厚さの合計は
０.８mm であり、無酸素銅製薄板ベース１００１の厚さは１mmである。従って、回路パタン付窒化シリコンを用いたセラミックス１００３と薄板銅ベースの厚さは同程度である。銅ベースの板厚が厚く、剛性が高いと、ロー付け後常温に戻る際に、銅ベースが激し縮むため、セラミックスの剛性が負けて、セラミックスを含む銅ベースはセラミックス接着面が凸に激しく変形してしまう。程度が激しい場合には、セラミックスは割れてしまう。本発明のように、銅ベース１００１を１mmと薄くすることにより、厚さ０.８mm の回路パタン付窒化シリコン基板は銅ベース剛性に負けることなく、変形は抑えられる。コルゲートフィン１００２がロー付けされているのは上述の実施例と同様であり、フィン１００２の形状は図１の場合と同じである。

本構造の熱抵抗を、これまでの条件と同じ冷却水を通流して測定した。結果、１アーム当たりＲｔｈ(ｊ−ｗ)＝０.１２５ｋ／Ｗ であった。セラミックス基板接着はんだ層が削除されたために低熱抵抗化できている。従って、低熱抵抗化とも併せて大幅な高寿命が達成できる。

本発明によれば、パワー半導体チップが搭載されたセラミックス基板が接着される放熱板は、厚さが回路パタン付セラミックス基板より薄く、かつ、焼鈍されている等の構造により、柔らかくなっている。このため、放熱板は、セラミックス基板接着層の歪を緩和するように変形できることにより、温度変化によって生じる接着層の熱歪を緩和する効果がある。例えば、銅ベースに窒化アルミ基板をはんだ接着した場合、温度が上昇すると、銅ベース裏面が凸になるように変形して歪は緩和される。放熱能力を向上させるため金属ベースに接着されるフィンの形状を、長手方向で分割する等の構造にすることは、この効果をより一層強化する働きがある。

以上の効果は、放熱板を強固なヒートシンクヘグリース等で固着することのない、直接水冷型モジュール特有のものである。柔らかい金属ベース周囲の高剛性の金属フレームは、Ｏリング等の冷却水封止部材を信頼性高く取り付けることを可能にする効果がある。例えば、ボルトで容易に取り付け可能にする効果がある。

さらに、パワー半導体モジュール重量を大部分を占める金属ベースを極めて薄くするため、本構造は、従来の構造と比べて、大幅に軽量化できる効果がある。

本発明の基本構造を示す断面模式図（フィン垂直方向）。 本発明の基本構造を示す平面図、及び、断面模式図（フィン方向）。 本発明の基本構造を示す断面模式図（フィン垂直方向）。 本発明実施例（素子をトランスファモールド）の断面模式図。 本発明実施例（モジュール取り付けを接着材）の断面模式図。 従来の直接水冷型モジュールの断面模式図。 本発明実施例（低剛性フィン）の断面模式図。 本発明実施例（低剛性フィン）の断面模式図。 本発明実施例（別方式取り付け）の断面模式図。 本発明実施例（放熱板／セラミックス基板一体）の断面模式図。 本発明実施例（ピンフィン）の断面模式図。 セラミックス基板下はんだ歪解析結果。

符号の説明

１００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００…
ＩＧＢＴモジュール、１０１，５０４，８０２…コルゲートフィン付銅ベース、１０２，１００４…モジュール取り付け部補強フレーム、１０３，６０６，８０４…端子一体ケース、１０４，６０７…主端子取り付けボルト用空隙、１０５…主端子取り付け用ナット
（Ｍ６ナット）、１０６…主端子、１０７…セラミックス基板／主端子接続用Ａｌワイヤ、１０８…モジュールカバー、１０９…ゲル、１１０…ＩＧＢＴチップ、１１１…パワーチップ接着はんだ層、１１２…ＦＷＤチップ、１１３，６０８…セラミックス基板接着はんだ層、１１４…窒化アルミ基板、１１５，７０７，１００２…コルゲートフィン(銅板)、１１６…補強フレーム厚さ、１１７，７０２…コルゲートフィン付銅ベース平板部厚さ、１１８，７０３…フィン付銅ベースのコルゲートフィン部厚さ、１１９，７０４…コルゲートフィン折り曲げ高さ、１２０，１２１，７０５，７０６…コルゲートフィン折り曲げ間隔（冷却水路幅）、２０１…セラミックス基板上ゲートパタン、２０２…シリコンチップ抵抗、２０３…サーミスタ、２０４…制御端子用電極パッド、２０５…モジュール取り付け用穴、２０６…セラミックス基板／制御端子接続用Ａｌワイヤ、２０７…主端子用電極パッド、２０８…ＩＧＢＴエミッタ／セラミックス基板接続用Ａｌワイヤ、２０９…ＩＧＢＴゲート／セラミックス基板接続用Ａｌワイヤ、２１０…ＦＷＤアノード／セラミックス基板接続用Ａｌワイヤ、２１１…セラミックス基板上エミッタパタン、２１２…セラミックス基板上コレクタパタン、２１３…コルゲートフィン全体長さ、２１４…金属ベースのフィン非設置領域、３０１,３０２…冷却水路、３０３…Ｏリング、３０４,５０１，８０３…水路カバー、３０５…モジュール取り付け用ボルト（Ｍ６ボルト）、３０６…Ｏリング用溝、３０７，５０３，８０１…筐体、４０１…トランスファモールドパッケージ、４０２…主端子接続用端子（接続用リードフレーム）、５０２…モジュール取り付け用接着材、６０１，９０１…フィン付銅ベース、６０２,９０２…フィン、６０３,９０５…フィン幅、６０４，９０４…フィン間隔、６０５，９０３…フィン高さ、７０１…金属ベース、１００１…無酸素銅製薄板ベース、１００３…窒化シリコンを用いたセラミックス、１１０１…ピンフィン付銅ベース、１１０２…ピンフィン、１１０３…ピンフィン幅、１１０４…ピンフィン間隔。

Claims (16)

1. 少なくとも電流のオンオフをスイッチングする半導体素子と、
   前記半導体素子が電気的に接続される回路を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板と接着する接着面の反対面に冷却媒体が接触して前記半導体モジュールを冷却する金属ベースと、
   前記金属ベースの前記絶縁基板との接着面周囲に前記金属ベースに密着するように配置された金属フレームと、
   前記絶縁基板を格納する筐体とを有し、
   前記金属フレームと前記金属ベース、及び、前記筐体を伴締めして冷却水を封止することを特徴とした半導体モジュール。
2. 請求項１記載の半導体モジュールにおいて、
   前記金属ベースの厚さは、前記回路を有する絶縁基板の厚さ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項２記載の半導体モジュールにおいて、
   前記金属フレームと前記金属ベース、及び、前記筐体を伴締めして冷却水を封止する冷却水封止部はＯリングであることを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項２記載の半導体モジュールにおいて、
   前記金属ベースの前記絶縁基板との接着面の反対面にフィンが形成され、前記フィンは、前記金属ベースの剛性を増大させないように前記フィンの長手方向の少なくとも一箇所以上で切断されていることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項４記載の半導体モジュールにおいて、
   前記フィンは、前記フィンの長手方向の垂直断面が波型に折り曲げられた金属板を前記金属ベースに接着することにより形成されるコルゲートフィンであることを特徴とする半導体モジュール。
6. 請求項５記載の半導体モジュールにおいて、
   前記コルゲートフィンは、前記金属ベースに銀ロー材でロー付けされることを特徴とする半導体モジュール。
7. 請求項４記載の半導体モジュールにおいて、
   前記金属ベース、及び、前記フィンは銅を主成分とした銅合金であることを特徴とする半導体モジュール。
8. 請求項４記載の半導体モジュールにおいて、
   前記フィンは、多数の円柱状ピンからなるピンフィンであることを特徴とする半導体モジュール。
9. 請求項２記載の半導体モジュールにおいて、
   前記絶縁基板に搭載されたパワー半導体チップは、前記絶縁基板を底面としてエポキシ樹脂でトランスファモールドされていることを特徴とする半導体モジュール。
10. 請求項９記載の半導体モジュールにおいて、
    前記絶縁基板は、ＡｌＮ，ＳｉＮ，アルミナのセラミックス基板であることを特徴とする半導体モジュール。
11. 請求項１記載の半導体モジュールにおいて、
    前記金属ベースの材質は銅であり、該銅ベースの降伏応力は５０Ｍｐａ以下となっていることを特徴とする半導体モジュール。
12. 請求項１記載の半導体モジュールにおいて、
    前記金属ベースは、カーボンとアルミニウム、又は、銅を含んだ複合材であり、前記金属ベースの降伏応力は５０Ｍｐａ以下となっていることを特徴とする半導体モジュール。
13. 少なくとも電流のオンオフをスイッチングする半導体素子と、
    前記半導体素子が電気的に接続される回路を有する絶縁基板と、
    前記絶縁基板と接着する接着面の反対面に冷却媒体が接触して前記半導体モジュールを冷却する金属ベースと、
    前記金属ベースの前記絶縁基板との接着面周囲に前記金属ベースに密着するように配置された金属フレームと、
    前記絶縁基板を格納する筐体とを有し、
    前記金属ベースの厚さは、前記絶縁基板の厚さ以下であり、かつ、周囲をシリコーン接着材等の接着材で前記筐体へ接着して冷却水を封止することを特徴とした半導体モジュール。
14. 請求項１３記載の半導体モジュールにおいて、
    前記筐体は前記金属ベ−スよりも剛性が大きく、冷却水を流す水路カバーは前記金属ベースよりも剛性が大きく、前記金属ベースの面に前記筐体及び前記水路カバーを配置し、前記筐体，前記水路カバー間に冷却水を封止する冷却水封止手段を配置し、前記金属ベース周囲を挟み込み、冷却水を封止することを特徴とした半導体モジュール。
15. 請求項１４記載の半導体モジュールにおいて、
    前記フィンは、前記絶縁基板のない領域では切断されていることを特徴とした半導体モジュール。
16. 請求項４記載の半導体モジュールにおいて、
    前記フィンの厚さは、前記絶縁基板の厚さ以下であることを特徴とした半導体モジュール。

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