JP2007288054A

JP2007288054A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2007288054A
Application number: JP2006115823A
Authority: JP
Inventors: Takashi Atsumi; 貴司渥美; Junzo Ukai; 順三鵜飼; Kenji Eto; 賢二江藤; Kenji Nakamura; 中村　賢治; Setsuhito Daiza; 摂人台座; Paul Arthur Meloni; アーサーメロニーポール; Attignal N Sreeram; エヌ・スリーラムアッティガナル; Kurt Douglas Roberts; ダグラスロバーツカート; David Leroy Sutton; ルロイサットンディビッド
Original assignee: Toyota Motor Corp; EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Toyota Motor Corp; EIDP Inc
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01
Also published as: EP1848036A3; EP1848036A2; CN101068009B; US20070284731A1; CN101068009A

Abstract

【課題】パワー素子の実装構造を簡素化してコストを抑制するとともに、放熱性、信頼性を向上させる手段を提供する。
【解決手段】金属配線板１３と、該金属配線板１３の上面に半田層１２を介して実装されたパワー素子１１と、該金属配線板１３の下面に設けられた金属放熱板１５と、該金属放熱板１５の下面に設けられたヒートシンク１９とを有するパワーモジュール１００構造において、これら各層のいずれかの間に樹脂系絶縁層１４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー素子の熱を効率よくヒートシンクに放熱することができるパワーモジュールに関する。

近年、電子機器等を始め、広い分野で半導体集積回路が使用され、特に大きな電力を必要とする装置に対して、パワー素子を実装したパワーモジュールが使用されている。このパワーモジュールには、パワー素子の電力消費に伴い発生する多量の熱を放熱するために、パワー素子を載せた金属配線板、窒化アルミなどのセラミック絶縁層、金属放熱板、及びヒートシンクからなる多層の放熱構造が採用されている。このように、従来のパワーモジュールの放熱構造では、モジュールを構成する各層のいずれかに窒化アルミなどのセラミック絶縁層が用いられていた。

図５に、放熱対策を施した従来のパワーモジュールの一例を示す。このパワーモジュール５００は、第１半田層５５を介してパワー素子であるＩＧＢＴチップ５４が実装されている。絶縁材料である窒化アルミ絶縁材料５８の上下面には金属配線板であるアルミ配線板５７及びアルミ板５９が配置されている。第１半田層５５は、アルミ配線板５７を被覆するように形成されたＮｉめっき層５６と接合している。Ｎｉめっき層は半田層に対する濡れ性を良好とするために形成されている。アルミ板５９の下面にはＮｉめっき層６０が形成され、第２半田層６１と該第２半田層６１の下面に形成されたＮｉめっき層６２を介して放熱板６３と接合している。放熱板６３の下面にはＮｉめっき層６４が形成され、第３半田層またはシリコングリース層６５とＮｉめっき層６６を介してヒートシンク６７と熱的に接合している。ヒートシンク６７から冷却水６８中または空気中へ放熱される。

パワー素子であるＩＧＢＴチップ５４やアルミ配線板５７で発生した大量の熱は、第１半田層５５、Ｎｉめっき層５６、金属配線板であるアルミ配線板５７、絶縁材料である窒化アルミ絶縁材料５８、アルミ板５９、Ｎｉめっき層６０、第２半田層６１、Ｎｉめっき層６２、放熱板６３、Ｎｉめっき層６４、第３半田層またはシリコングリース層６５、Ｎｉめっき層６６、ヒートシンク６７の順に伝導され、最終的には、ヒートシンク６７から冷却水６８中または空気中へと放熱される。

このように、従来のパワー素子の実装構造は標準で１４段構造となっており、製造工程が煩雑であるという問題がある。これは、結果として最終製品でのコストの増大を招くこととなる。また、積層する部材の数が多いため、小型化を考慮すると半田層の厚みを例えば数百μｍに薄くすることが考えられるが、３層もの半田層自体の放熱性が悪いことと、異種材料による接合界面が多いことが放熱性の妨げとなることから、パワー素子からの発熱を効率よくヒートシンク材に導くことができないという不都合が生じる。しかも、複雑な従来のパワー素子の実装構造は、モジュール自体の信頼性にも問題が生じさせる恐れがあった。
このような従来の放熱構造のパワー素子は、例えば下記特許文献１に例示されている。

特開２００３−２１８２９８号公報

従来のパワー素子の実装構造は複雑でコスト高であり、放熱性、信頼性に劣ることに鑑み、本発明は、パワー素子の実装構造を簡素化してコストを抑制するとともに、放熱性、信頼性を向上させることを目的とする。

本発明者は、従来のセラミック絶縁材料に替えて樹脂系絶縁材料を用いることで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は、パワーモジュールの発明であり、金属配線板と、該金属配線板の上面に半田層を介して実装されたパワー素子と、該金属配線板の下面に設けられた金属放熱板と、該金属放熱板の下面に設けられたヒートシンクとを有するパワーモジュールにおいて、これら各層のいずれかの間に樹脂系絶縁層を有することを特徴とする。

本発明のパワーモジュールの基本型は、
（１）モジュールの最上部より、パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属放熱板、該金属放熱板の下面に半田又はシリコングリースを介して設けられたヒートシンクからなるパワーモジュール。（ここで、金属放熱板の下面及びヒートシンクの上面にはＮｉめっき層を設けるのが良い。）
であり、９段構造に簡素化されている。特に、セラミック絶縁層を用いる場合には他層との接着のために半田層が必要であるが、半田層にはＮｉめっき層を形成する必要があるのに対して、本発明ではＮｉめっき層が不要または少なくてすむこと、放熱性に問題がある半田層が高々２段であること、金属銅、アルミニウム等の電気抵抗が低く安価な材料を金属配線板に用いることができること、樹脂系絶縁材料を用いることにより金属配線板と金属放熱板を熱圧着等の簡易な手段で接合できること等により、その放熱構造は格段に簡素化される。その結果、コスト低減とモジュールの信頼性の向上を達成できる。

本発明のパワーモジュールの基本型は上記（１）の通りであるが、下記（２）〜（４）に示すような変型も本発明に含まれる。

（２）上記従来構造の内、セラミック絶縁材料を樹脂系絶縁材料で代替した構造であり、モジュールの最上部より、パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属板、該金属板の下面に金属放熱板、該金属放熱板の下面に半田又はシリコングリース層を介して設けられたヒートシンクからなるパワーモジュール。

（３）上記基本構造の配線板と放熱板を兼ねさせた構造であり、モジュールの最上部より、パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板兼金属放熱板、該金属配線板兼金属放熱板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属板、該金属板の下面に半田又はシリコングリース層を介して設けられたヒートシンクからなるパワーモジュール。

（４）上記基本構造のヒートシンクと放熱板を兼ねさせた構造であり、モジュールの最上部より、パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられたヒートシンク兼金属放熱板からなるパワーモジュール。

（２）〜（４）のパワーモジュールにおいて、半田層に面する個所にはＮｉめっき層を設けるのが良い。

更に、本発明者は、上記樹脂系絶縁材料に求められる絶縁性要求値と熱伝導率を考慮し、特定の膜厚範囲に薄膜することで、従来構造に匹敵する絶縁性と熱伝導性が発揮することを見出した。即ち、本発明で用いられる樹脂系絶縁材料としては、絶縁破壊電圧が６０ｋＶ〜３００ｋＶ／ｍｍであり、熱伝導率が０．５〜２．５Ｗ／Ｋ・ｍである特性を有する樹脂材料が好ましい。また、本発明のパワーモジュールでは、樹脂系絶縁層の膜厚が、１０μｍ〜５０μｍであることが好ましい。この点、従来のセラミック絶縁層が６００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さを有していたことと大きく相違する。

本発明で用いられる樹脂系絶縁材料としては、熱可塑性ポリイミド樹脂が好ましく例示される。特に、上記特性を満足する薄膜熱可塑性ポリイミド材料を絶縁層に用いることにより、ポリイミド材料が有する高絶縁性と耐熱性を活用することができる。これにより、従来、ポリイミド材料はセラミック材料に比べて熱抵抗が非常に高い（即ち、熱伝導率が低い）ため、パワー素子の実装材料として使いづらかったポリイミド材料を用いパワーモジュールの放熱構造とすることができた。

本発明のパワーモジュールが適用されるパワー素子としては、ＩＧＢＴ（インテリジェントバイポーラトランジスタ）チップが好ましく例示される。パワーモジュールとしては、例えば、インバーターモジュールが挙げられる。

第２に、本発明は、上記のインバーターモジュールを備えたハイブリッド自動車である。放熱構造が格段に簡素化され、その結果、コストが低減され、モジュールの信頼性が向上した本発明のパワーモジュールをハイブリッド自動車に適用することが好ましいものとすることができる。

本発明は、パワーモジュールの放熱構造に、従来のセラミック絶縁材料に替えて樹脂系絶縁材料を用いた。樹脂系絶縁材料を用いることにより、パワー素子の実装構造を簡素化してコストを抑制するとともに、放熱性、及びモジュールの信頼性を向上させることが可能となった。一般に、樹脂系絶縁材料はセラミック絶縁材料に比べて熱伝導性に劣るが、薄膜化して熱伝導性を高めた場合、代替可能である。

以下、図面を参考にして、本発明のパワーモジュールの実施例を、その放熱構造とともに説明する。

［実施例１］
図１に、本発明のパワーモジュールの基本型の概略断面図を示す。パワーモジュール１００の最上部より、ＩＧＢＴチップ等のパワー素子１１、該パワー素子１１の下面に第１半田層１２を介して金属配線板１３、該金属配線板１３の下面に熱可塑性ポリイミドなどからなる樹脂系絶縁層１４を介して設けられた金属放熱板１５、該金属放熱板１５の下面に形成されたＮｉめっき層１６、半田層又はシリコングリース層１７、ヒートシンク１９の上面に形成されたＮｉめっき層１８、ヒートシンク１９からなる９段のパワーモジュールである。

ＩＧＢＴチップが発熱する熱は、各層を伝導して、ヒートシンクより水中または空気中へ放熱される。
なお、従来はＣｕ−Ｍｏ等からなる比較的高価な金属放熱板を用いていたが、本発明では安価で価格変動の少ないＣｕからなる金属放熱板を用いることができることも利点に加えられる。

［実施例２］
図２に、本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。本実施例は、従来構造の内、セラミック絶縁材料を樹脂系絶縁材料で代替した構造であり、パワーモジュール２００の最上部より、ＩＧＢＴチップ等のパワー素子２１、該パワー素子２１の下面に第１半田層２２、Ｎｉめっき層２３、金属配線板２４、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層２５を介して設けられた金属板２６、Ｎｉめっき層２７、第２半田層２８、Ｎｉめっき層２９、金属放熱板３０、Ｎｉめっき層３１、第３半田層又はシリコングリース層３２、及びＮｉめっき層３３を介して設けられたヒートシンク３４からなるパワーモジュールである。

実施例１と同様に、ＩＧＢＴチップが発熱する熱は、各層を伝導して、ヒートシンクより水中または空気中へ放熱される。

［実施例３］
図３に、本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。本実施例は、上記基本構造の配線板と放熱板を兼ねさせた構造であり、パワーモジュール３００の最上部より、ＩＧＢＴチップ等のパワー素子３６、該パワー素子３６の下面に第１半田層３８、及びＮｉめっき層３９を介して金属配線板兼金属放熱板４０、該金属配線板兼金属放熱板４０の下面に樹脂系絶縁層４１を介して設けられた金属板４２、該金属板４２の下面にＮｉめっき層４３、第３半田層又はシリコングリース層４４、及びＮｉめっき層４５を介して設けられたヒートシンク４６からなるパワーモジュールである。

［実施例４］
図４に、本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。本実施例は、上記基本構造のヒートシンクと放熱板を兼ねさせた構造であり、パワーモジュール４００の最上部より、ＩＧＢＴチップ等のパワー素子４７、該パワー素子４７の下面に第１半田層４９、Ｎｉめっき層５０を介して金属配線板５１、該金属配線板５１の下面に樹脂系絶縁層５２を介して設けられたヒートシンク兼金属放熱板５３からなるパワーモジュールである。

本発明によって解決できる従来技術の問題点には次のような事項がある。先ず、各層の接合の問題では、本発明では下部の放熱板等との接合には、半田が不要である。従って、絶縁材料下の金属板が不要となる。また、ポリイミド等の樹脂絶縁材料と接合可能な金属種はアルミに限定されず、Ｃｕ等汎用金属で可能である。この点、Ｃｕ等の半田濡れ性が高い金属ではＮｉめっきが不要であることも本発明の利点として挙げられる。

次に、各層の熱膨張の問題は、薄膜熱可塑性ポリイミド材料はヤング率が非常に低く、曲げ応力が働いても割れない、かつ曲げ応力を吸収するため、素子に応力が及ばない。従って、放熱板は熱膨張が高く安価な銅、アルミといった汎用金属が使えるという利点がある。

以下、本発明の樹脂系絶縁材料として好適な熱可塑性ポリイミドについて説明する。

本発明において、熱可塑性ポリイミドは、芳香族ポリイミドであることが好ましい。芳香族ポリイミドは、芳香族テトラカルボン酸と脂肪族または芳香族ジアミンとの縮合物であり、代表的にはピロメリット酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物などのテトラカルボン酸二無水物と、パラフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルエーテルなどのジアミンを縮重合してアミド酸を生成させ、これを熱または触媒で閉環硬化させて得られるものである。熱可塑性ポリイミドは、例えば次のような化合物を共重合させることによって得ることができる。

ジカルボン酸無水物としては、ピロメリット酸二無水物、４，４’−オキシジフタール酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２’−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルフィド二無水物、ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、１，１−ビス（２，３ージカルボキシフェニル）メタン二無水物、１，１−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）プロパンニ無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、ｍ−フェニレンビス（トリメリット酸）二無水物等を挙げることができる。

ジアミンとしては、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、３，３’−ジメチルペンタメチレンジアミン、３−メチルヘキサメチレンジアミン、３−メチルヘプタメチレンジアミン、２，５−ジメチルヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、１，１，６，６−テトラメチルヘキサメチレンジアミン、２，２，５，５−テトラメチルヘキサメチレンジアミン、４，４−ジメチルヘプタメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノベンゾフェノン、４−アミノフェニル−３−アミノベンゾエート、ｍ−アミノベンゾイル−ｐ−アミノアニリド、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス（４−アミノフェニル）メタン、１，１−ビス（４−アミノフェニル）エタン、２，２−ビス（４−アミノフェニル）プロパン、２，２’−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル）］プロパン，４，４’−ジアミノジフェニルスルホキシド、３，３’−ジアミノベンゾフェノン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、２，２’ージアミノゼンゾフェノン、１，２−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３ービス（４−アミノベンゾイルオキシ）ベンゼン、４，４’−ジベンズアニリド、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）フェニルエーテル、２，２’−ビス（４−アミノフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２’−ビス（４−アミノフェニル）−１，３−ジクロロ−１、１，３，３−ヘキサフルオロプロパン、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、１，１２−ジアミノドデカン、１，１３− ジアミノドデカン、ポリシロキサンジアミンなどが挙げられる。

上記化合物の中で、本発明において使用される熱可塑性ポリイミドとして、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＲＯＤＡと略称）、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡと略称）及び４，４’−オキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ）の共重合物、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡと略称）と３，３’４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡと略称）との共重合物、およびＯＤＡ，ＰＭＤＡおよびＢＰＤＡとの共重合物、３，３’、４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）及びＰＭＤＡと２，２’−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル）］プロパン（ＢＡＰＰと略称）との共重合物が好ましい。

熱可塑性ポリイミドは加熱することにより軟化するが、本発明においてはガラス転移温度が２００〜３５０℃のものが好ましく、さらに好ましくは２１０〜３００℃である。また、熱可塑性ポリイミドはガラス転移温度における破断伸度が１００〜７００％のものが好ましく、さらに好ましくは、２００〜４００％である。

本発明は、パワーモジュールの放熱構造に、従来のセラミック絶縁材料に替えて樹脂系絶縁材料を用いることにより、パワー素子の実装構造を簡素化してコストを抑制するとともに、放熱性、及びモジュールの信頼性を向上させることが可能となった。上記のインバーターモジュールをハイブリッド自動車に備えることにより、ハイブリッド自動車の普及に貢献する。

本発明のパワーモジュールの基本型の概略断面図を示す。本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。本発明のパワーモジュールの変型の概略断面図を示す。従来のパワーモジュールの概略断面図を示す。

符号の説明

１００：本発明のパワーモジュール、１１：ＩＧＢＴチップ等のパワー素子、１２：第１半田層、１３：金属配線板、１４：熱可塑性ポリイミド層等の樹脂系絶縁層、１５：金属放熱板、１６：Ｎｉめっき層、１７：半田層又はシリコングリース層、１８：Ｎｉめっき層、１９：ヒートシンク。
２００：本発明のパワーモジュール、２１：ＩＧＢＴチップ等のパワー素子、２２：第１半田層、２３：Ｎｉめっき層、２４：金属配線板、２５：樹脂系絶縁層、２６：金属板、２７：Ｎｉめっき層、２８：第２半田層、２９：Ｎｉめっき層、３０：金属放熱板、３１：Ｎｉめっき層、３２：第３半田層又はシリコングリース層、３４：ヒートシンク。
３００：本発明のパワーモジュール、３６：ＩＧＢＴチップ等のパワー素子、３８：第１半田層、３９：Ｎｉめっき層、４０：金属配線板兼金属放熱板、４１：樹脂系絶縁層、４２：金属板、４３：Ｎｉめっき層、４４：第３半田層又はシリコングリース層、４５：Ｎｉめっき層、４６：ヒートシンク。
４００：本発明のパワーモジュール、４７：ＩＧＢＴチップ等のパワー素子、４９：第１半田層、５０：Ｎｉめっき層、５１：金属配線板、５２：樹脂系絶縁層、５３：ヒートシンク兼金属放熱板。
５００：従来のパワーモジュール、５４：ＩＧＢＴチップ、５５：第１半田層、５６：Ｎｉめっき層、５７：金属配線板であるアルミ配線板、５８：絶縁材料である窒化アルミ絶縁材料、５９：アルミ板、６０：Ｎｉめっき層、６１：第２半田層、６２：Ｎｉめっき層、６３：放熱板、６４：Ｎｉめっき層、６５：第３半田層またはシリコングリース層、６６：Ｎｉめっき層、６７：ヒートシンク、６８：冷却水。

Claims

金属配線板と、該金属配線板の上面に半田層を介して実装されたパワー素子と、該金属配線板の下面に設けられた金属放熱板と、該金属放熱板の下面に設けられたヒートシンクとを有するパワーモジュールにおいて、これら各層のいずれかの間に樹脂系絶縁層を有することを特徴とするパワーモジュール。
パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属放熱板、該金属放熱板の下面に半田又はシリコングリースを介して設けられたヒートシンクからなる構造の請求項１に記載のパワーモジュール。
パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属板、該金属板の下面に金属放熱板、該金属放熱板の下面に半田又はシリコングリース層を介して設けられたヒートシンクからなる構造の請求項１に記載のパワーモジュール。
パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板兼金属放熱板、該金属配線板兼金属放熱板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられた金属板、該金属板の下面に半田又はシリコングリース層を介して設けられたヒートシンクからなる構造の請求項１に記載のパワーモジュール。
パワー素子、該パワー素子の下面に半田層を介して金属配線板、該金属配線板の下面に樹脂系絶縁層を介して設けられたヒートシンク兼金属放熱板からなる構造の請求項１に記載のパワーモジュール。
前記樹脂系絶縁層が、絶縁破壊電圧が６０ｋＶ〜３００ｋＶ／ｍｍであり、熱伝導率が０．５〜２．５Ｗ／Ｋ・ｍである樹脂材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記樹脂系絶縁層の膜厚が、１０μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記樹脂系絶縁層が熱可塑性ポリイミドからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記パワー素子がＩＧＢＴチップであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のパワーモジュール。
インバーターモジュールであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のパワーモジュール。
請求項１０に記載のインバーターモジュールを備えたハイブリッド自動車。