JP2008235674A - パワーモジュール及び車両用インバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体チップを基板に設置している、はんだ層が液状化することで半導体チップと基板との間の熱応力を緩和し、半導体チップと基板との間にクラックが発生することを防止でき、かつ、接合強度を確保することができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】半導体チップ２と、この半導体チップを設置する絶縁基板３とを備えるパワーモジュール１は、半導体チップ２と絶縁基板３との間に、半導体チップ２の発熱により液状化するはんだ層４と、この発熱による半導体チップ２と絶縁基板３との熱膨張差に追従可能に、半導体チップ２と絶縁基板３とを接続する樹脂材５とを、さらに備え、はんだ層４の融点は、樹脂材５の融点よりも低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車等の電力用の半導体装置を用いたパワーモジュールに係り、特に、発熱体である半導体チップと、これを設置する基板との間の接合材のクラック発生を防止できるパワーモジュールと、これを備えた車両用インバータに関する。
従来、この種のパワーモジュールとして、図３に示されるパワーモジュール２１は、半導体チップ２２を絶縁状態に設置する絶縁基板２３と、半導体チップ２２からの発熱を放熱する放熱体２７を少なくとも備えて構成される。そして、半導体チップ２２は絶縁基板２３の導体２４に高融点接合材２５で固体金属接合により固定され、絶縁基板２３の導体２６と放熱体２７とははんだ等の低融点接合材２８により固定されている。
また、この種の半導体装置として、例えば、特許文献１に記載の混成集積回路がある。この混成集積回路は、基板上に所望形状の導電路が形成され、その導電路の所望位置に設けられた固着パッド上にチップコンデンサあるいは／およびチップ抵抗が半田層を介して接続され、半田層は液相線温度が異なる少なくとも２種類の半田材料で構成されている。そして、前記混合集積回路の２種の半田材料は、第１の半田材料は液相線温度が約１２５℃〜２３６℃であり、第２の半田材料は液相線温度が１８３℃〜３００℃であって、半田層は、粒状の第２の半田材料が第１の半田材料に含有している。
特開平６−３７４３８号公報
ところで、前記の図３に示されるパワーモジュールは、作動時に半導体チップが発熱する。半導体チップの線膨張係数は一般的に約３ｐｐｍであり、絶縁基板の線膨張係数は一般的に約４〜５ｐｐｍである。そして、高温時において半導体チップの熱膨張による変位ａと絶縁基板の熱膨張による変位ｂとは、大きく相違する。この結果、熱膨張による変位差（熱膨張差）により半導体チップと絶縁基板との境界に熱応力が発生し、固体金属接合では応力が集中してクラックが発生することがある。このため、絶縁基板としては線膨張係数の低い（半導体チップの線膨張係数に近い）窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の絶縁基板が必要となり、半導体チップと絶縁基板との接合強度を確保するため特殊な高融点接合材を必要としている。そして、前記の絶縁基板や高融点接合材は高価であるため、パワーモジュールの低コスト化の妨げとなっている。
また、前記特許文献１に記載の混成集積回路は、チップコンデンサあるいは／およびチップ抵抗の接続の主体となる半田層の第一の半田材料が液相となってしまうため、接続強度不足が生じるおそれがあった。特に、前記のような混成集積回路や半導体装置を、ハイブリッド車等の電力用のパワーモジュール等に使用する場合には、走行中の振動等により導通状態が不安定となるおそれもあった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高温時は半導体チップを基板に設置しているはんだ層が液状化することで半導体チップと基板との間の熱応力を緩和し、半導体チップと基板との間にクラックが発生することを防止でき、かつ、接合強度を確保することができるパワーモジュールと、これを備えた車両用インバータを提供することにある。また、低コスト化が可能なパワーモジュールと、車両用インバータを提供することにある。
前記目的を達成すべく、本発明に係るパワーモジュールは、半導体チップと、該半導体チップを設置する基板とを備え、半導体チップと基板との間に、半導体チップの発熱により液状化するはんだ層と、発熱による半導体チップと基板との熱膨張差に追従可能に、半導体チップと基板とを接続する樹脂材とを、さらに備え、樹脂材の融点は、はんだ層の融点よりも高いことを特徴としている。
前記のごとく構成された本発明のパワーモジュールは、半導体チップに通電されると半導体チップは発熱する。この発熱により、基板にはんだ層で設置された半導体チップは、液状化したはんだ層により接合強度が低下するが、樹脂材により半導体チップと基板とは接続されているため、接合強度を確保することができる。また、半導体チップと基板とは液状化したはんだ層により設置されているため、半導体チップと基板との熱膨張差に追従することができ、クラック等の発生を抑えることができる。しかも、はんだ層が溶融しても樹脂材は溶融しないので、半導体チップの設置状態が安定する。さらに、通常の低融点のはんだを用いることで低コストを達成できる。
また、本発明に係るパワーモジュールの好ましい具体的な態様としては、前記樹脂材は、半導体チップの少なくとも外周を囲繞していることを特徴としている。このように構成されたパワーモジュールは、樹脂材が半導体チップの外周を囲繞しているため、液状化したはんだ層の洩れを防止でき、半導体チップを確実に保持することができる。
さらに、本発明に係るパワーモジュールの好ましい具体的な他の態様としては、前記樹脂材は、ヤング率が１〜２０ＧＰａであることを特徴とし、前記樹脂材の耐熱温度が１６０℃〜２４０℃の範囲であることを特徴としている。ヤング率や、耐熱温度を前記の範囲に設定することで、半導体チップと基板との熱膨張差に追従可能に、半導体チップを基板上に接続、固定することができる。
また、前記樹脂材は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちの少なくとも一種から選択された樹脂で形成されることが好ましい。これらの樹脂は耐熱性に優れており、該樹脂を用いて樹脂材を形成することにより、半導体チップと基板との熱膨張差に追従可能に、半導体チップを基板上に接続、固定することができる。
さらに、本発明に係るパワーモジュールは、前記樹脂材が、複数種の前記樹脂により層状に形成されていることがより好ましい。本発明によれば、樹脂材の厚さ方向に沿って、異なる樹脂の層を形成することが可能となるので、厚さ方向に沿って使用環境に合わせた樹脂を選択し、樹脂材を形成することができる。例えば、はんだ層に接触する樹脂の層を、熱膨張差に追随し易い樹脂を形成し、該樹脂層を覆うように剛性の高い樹脂の層を形成することができる。より具体的には、はんだ層に接触する樹脂の層の樹脂としてシリコーン樹脂を形成し、該シリコーン樹脂の樹脂層を覆うようにエポキシ樹脂の層を形成することが好ましい。
本発明に係る車両用インバータは、前記のいずれかに記載のパワーモジュールを備えたことを特徴としている。このように構成された車両用インバータは、半導体チップが発熱する際に、半導体チップと、これを設置している基板との間のはんだ層が液状化し、熱応力を緩和すると共に、クラックの発生を防止する。また、半導体チップと基板との接続は樹脂材により確保され、液状化したはんだ層は樹脂材により囲まれているため、液化したはんだ材料の漏洩が防止される。
本発明のパワーモジュール、及び、このパワーモジュールを備えた車両用インバータは、作動中の高温時に、半導体チップを接合しているはんだ層が液状化することで熱応力を緩和し、半導体チップと基板との間にクラックが発生することを防止できる。また、樹脂材が液状化しているはんだ層の漏洩を防止し、半導体チップの接合強度を確保することができる。
以下、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
図１において、パワーモジュール１は、半導体チップ２と、この半導体チップを設置する絶縁基板３とを備えている。半導体チップ２は絶縁基板３の上面に形成された金属箔や導電パターン等の導電体３ａ上に、はんだ層４により固定される。絶縁基板３は半導体チップ２からの電流を絶縁する機能と、半導体チップ２から発生される熱を伝導する機能を有しており、例えば、絶縁基板３は、セラミックス等の絶縁材から形成され、下面にも導電体３ｂが形成されている。
半導体チップ２と絶縁基板３とを固定するはんだ層４は、半導体チップ２の作動時に発生される発熱により液状化し、両者間の熱応力を緩和するように構成されている。すなわち、はんだ層４は半導体チップ２の作動中の発熱で液化する（場合によっては固液共存状態）となる。このため、本実施形態のパワーモジュール１は、高温時に、はんだ層４による半導体チップ２と絶縁基板３と接合強度が弱くなるため、半導体チップ２と絶縁基板３とを接続する樹脂材５をさらに備えている。
樹脂材５は、例えば軟質の樹脂で形成され、高温時に半導体チップ２と絶縁基板３との熱膨張差に追従可能に、半導体チップ２と絶縁基板３とを接続する部材である。そして、樹脂材５は半導体チップ２の外周を囲繞するように構成されている。具体的には、樹脂材５ははんだ層４の外周を覆い、絶縁基板３の上面と半導体チップ２の側面とを連結するように形成されている。また、はんだ層４の液化と共に樹脂材５が溶融することがないように、樹脂材５の融点は、はんだ層４の融点よりも高く設定されている。
具体的には、一般的な半導体チップ２の発熱温度を考慮した場合、はんだ層の材料としては、熱伝導性が６０〜１００Ｗ／ｍＫであり、融点の温度領域が９０〜１９０℃であることが望ましい。熱伝導性が６０Ｗ／ｍＫ未満である場合には、半導体の発熱を効率的に伝達することができず、１００Ｗ／ｍＫを越えた材料は、材料コストが高くなる。また、融点の温度領域が、９０℃未満の場合には、熱応力が小さい該温度領域において半導体チップ２と絶縁基板３と接合強度が不足することになり、該温度領域において１９０℃を超えてしまうと半導体チップ２の発熱により液化し難くなる。なお、前記、熱伝導性及び融点の温度領域を満たすはんだ材料は、一般的に産業上利用されるはんだであり、汎用性があり安価である。なお、はんだ材料は鉛入りまたは鉛フリーいずれであってもよく、耐環境性を考慮すると鉛フリーはんだが好ましく、例えば、スズまたはスズ合金からなるはんだであることがより好ましい。
さらに、はんだ層４の層厚みは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ以上であることがより好ましい。前記はんだ層の厚みが、０．１ｍｍ未満である場合には、常温時におけるはんだ層の接合強度が充分でなく、前記半導体チップと前記基板との熱膨張差に追従可能な樹脂材を形成することが難しい。さらに、はんだ層の層厚みが、１．０ｍｍを越えたとしても、常温時に接合強度等をさらに向上させることもできず、半導体チップの発熱により液状化するはんだ材料の量が増えるので、好ましくない。
樹脂材５は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちの少なくとも一種から選択された樹脂で形成されており、耐熱温度が１６０℃〜２４０℃の範囲の樹脂材が用いられている。一般的な半導体チップ２の発熱温度を考慮した場合、耐熱温度が１６０℃未満では、はんだ層４と共に溶融するおそれがあり、さらに、２４０℃を超える半導体チップの発熱は想定し難く、材料コストが高くなる。また、樹脂材５は、そのヤング率（縦弾性係数）が１〜２０ＧＰａの範囲のものが用いられている。ヤング率が１ＧＰａ未満では適当な樹脂による半導体チップ２と絶縁基板３と接合強度が不足してしまい、２０ＧＰａを超えると熱膨張差を吸収できない。さらに、前記樹脂の放熱性を上げるため、Ｓｉ，ＳｉＣ，アルミナなどのセラミックス等の絶縁性のある粒子を混合してもよい。
前記樹脂材５は、絶縁基板３の上面と半導体チップ２の側面を覆うような形状の成形枠（図示せず）を絶縁基板３上に設置し、前記した軟質の樹脂材料を成形枠内に射出し、その後に成形枠を外して成形される。また、絶縁基板３と半導体チップ２の接するコーナー部に軟質樹脂を、例えばノズルで注入して形成することもできる。本実施形態では、半導体チップ２の上面は図示していない電源線や信号線が接続されるため、半導体チップ２の側面部分を樹脂材５で絶縁基板３と接続しているが、電源線や信号線との接続が確保される場合は樹脂材で半導体チップの上部まで覆って、半導体チップと基板とを接続してもよい。
絶縁基板３の下方には放熱板６がはんだ付けで固着されている。すなわち、絶縁基板３の下方の導電体３ｂと放熱板６との間に、はんだ層７が形成されて固着されている。これにより、半導体チップ２から発生された熱は、はんだ層４を通して絶縁基板３に伝導され、はんだ層７を通して放熱体６に伝導され、大気中、あるいは冷却水等に放熱される構成となっている。
前記の如く構成された本実施形態のパワーモジュール１の動作について以下に説明する。パワーモジュール１の半導体チップ２に電流が供給され定格の作動状態となると、半導体チップ２は発熱し、その熱ははんだ層４を通して絶縁基板３に伝導される。半導体チップ２が発熱すると、半導体チップ２は、そのヤング率（線膨張係数）に従って熱膨張し、約３ｐｐｍの熱膨張率で熱膨張する。半導体チップ２は、例えばその定格出力時には、その温度が１５０℃を超える温度範囲に達し、液状化する。
半導体チップ２から発生した熱は、はんだ層４を通して絶縁基板３に伝導し、絶縁基板３は、その線膨張係数に従って熱膨張し、約４〜５ｐｐｍの熱膨張率で熱膨張する。このように、半導体チップ２の熱膨張と絶縁基板３の熱膨張とには変位としての差(図３に示す矢印ａとｂとの差)が生じるが、この実施形態でははんだ層４が液状化して固液共存状態となるため、半導体チップ２と絶縁基板３との間に熱応力は発生せず、クラック等も発生しない。
また、半導体チップ２と絶縁基板３とは樹脂材５で接続されているため、半導体チップ２と絶縁基板３との熱膨張差に追従することができる。この結果、はんだ層４の接合強度は液化するため（場合によっては固液共存状態のため）低下するが、はんだ層４が溶融しても樹脂材５は溶融せず、樹脂材５により半導体チップ２と絶縁基板３とは確実に接続されているため、設置状態は安定して半導体チップ２の絶縁基板３からの脱落等は発生しない。
このように、この実施形態のパワーモジュール１は、高温時でも半導体チップ２と絶縁基板３との熱膨張差に追従でき、半導体チップ２の設置状態が安定し、発生した熱の伝導も良好に行なうことができる。その結果、半導体チップ２からの発熱を効率良く放散することができる。
つぎに、本発明のパワーモジュールを備えた車両用インバータの一実施形態について図２を参照して説明する。図２において、この実施形態の車両用インバータ１０は、エンジンとモータとを使用するハイブリッド車や、電気自動車等で使用され、直流を交流に変換し、例えば誘導電動機等の交流負荷に電力を供給する電力変換装置である。車両用インバータ１０は、最小限の構成として前記の実施形態のパワーモジュール１、及び電解コンデンサ１１等を備えて構成される。そして、車両用インバータ１０にバッテリ等の直流電源１２が接続され、車両用インバータ１０からのＵＶＷの三相交流出力は例えば誘導電動機１３に供給され、この誘導電動機を駆動させる。なお、車両用インバータ１０は図示した例に限られるものでなく、インバータとしての機能を有するものであれは、どのような形態でもよい。
このように構成された車両用インバータ１０は、パワーモジュール１の半導体チップ２が作動中に高温状態になると、半導体チップ２を絶縁基板３上に設置しているはんだ層４が液状化し、固液共存状態となり、２つの部材の熱膨張差に起因する熱応力を緩和し、クラック等の発生を防止できる。また、樹脂材５が半導体チップ２と絶縁基板３とを接続しているため、設置状態は安定している。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、放熱板とヒートシンクとの連結はシリコングリスを用いてもよく、はんだ等の接合材や、熱伝導の良好な接着剤等を用いて連結してもよい。
本発明の活用例として、このパワーモジュールを用いて電気設備等の電力用のパワーモジュールの用途や、電力供給装置の用途にも適用できる。
本発明に係るパワーモジュールの一実施形態の断面図。 図１のパワーモジュールを備えた車両用インバータの一実施形態の構成図。 従来のパワーモジュールの断面図。
符号の説明
１：パワーモジュール、２：半導体チップ、３：絶縁基板（基板）、４：はんだ層、５：樹脂材、１０：車両用インバータ

Claims (7)

  1. 半導体チップと、該半導体チップを設置する基板とを備えるパワーモジュールであって、
    該パワーモジュールは、前記半導体チップと前記基板との間に、前記半導体チップの発熱により液状化するはんだ層と、
    前記発熱による前記半導体チップと前記基板との熱膨張差に追従可能に、前記半導体チップと前記基板とを接続する樹脂材とを、さらに備え、
    前記樹脂材の融点は、前記はんだ層の融点よりも高いことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記樹脂材は、前記半導体チップの少なくとも外周を囲繞してい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。
  3. 前記樹脂材は、ヤング率が１〜２０ＧＰａであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記樹脂材の耐熱温度が１６０℃〜２４０℃の範囲であること特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
  5. 前記樹脂材は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちの少なくとも一種から選択された樹脂で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
  6. 前記樹脂材は、複数種の前記樹脂により層状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュールを備えた車両用インバータ。
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