JP2008300379A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】部品数の少ない安価な，かつ接続信頼性の高いパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワーモジュール１０は、ヒートシンク２１の上に、絶縁樹脂層２６により固着された金属配線２３と、金属配線２３の上に半田層１４により接合された半導体チップ１１とを備えている。ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触領域の端部には、凹部２１ｃが形成されている。金属配線２３の絶縁樹脂層２６との接触領域の端部にも凹部２３ａが形成されている。凹部２１ｃおよび２３ａにより、ヒートシンク２１，金属配線２３と絶縁樹脂層２６との接続面の剥がれの発生や進行が止められる。構造は簡素化されており、接続の信頼性も大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体チップの発熱に対する冷却機能を有するパワーモジュールに関する。

図５は、従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、ＣｕＭｏ等により構成されている放熱基板１０１の主面側には、放熱基板１０１に、半田層１０２により固定されたＡｌ板１０４と、Ａｌ板１０４の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌＮ板１０６と、ＡｌＮ板１０６の主面にＡｌろうによって固定されたＡｌ配線１０８と、Ａｌ配線１０８の上に、半田層１０９により固定された半導体チップ１２０とを備えている。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きのヒートシンク１１３が取り付けられている。上記Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８は、ＤＢＡ基板として一体的に用いられている。

このように、Ａｌ板１０４，ＡｌＮ板１０６およびＡｌ配線１０８をＤＢＡ基板（絶縁層を含む配線部材）として用いたパワーモジュールの構造は、たとえば、特許文献１に記載されている（同文献の図５参照）。
特開２００５−１９１１７８号公報

しかしながら、図５に示すパワーモジュールの構造では、部品数が多く必要であり、製造コストが高くなるという不具合があった。反面、部品数を低減すると、部材間の熱膨張率差に起因する熱応力が増大したり、各部材間の接続部の信頼性が損なわれるおそれがある。

本発明の目的は、製造コストの削減を図りつつ、部材間の接続の信頼性を確保しうるパワーモジュールを提供することにある。

本発明のパワーモジュールは、絶縁樹脂層により、ヒートシンク上に半導体チップの配線部材を固着した構造を有しており、ヒートシンクおよび配線部材双方における絶縁樹脂層との接触面の端部に、それぞれ凹部を形成したものである。

これにより、ＤＢＡ基板等の部品が不要となり、部品数が低減されるとともに、樹脂絶縁層の形成には、半田層のようにリフロー炉を通すなどの処理は不要なので、製造コストの削減を図ることができる。その場合、樹脂絶縁層と各部材との接続の信頼性を確保する必要があるが、本発明では、各凹部によって、絶縁樹脂層と、ヒートシンクおよび配線部材との接着面の剥離の発生が抑制される。また、最端部で剥がれが発生しても、剥がれの内方への進行が抑制される。よって、製造コストの削減を図りつつ、接続の信頼性を確保することができる。

凹部が接触領域の端部の周囲を取り囲んでいることにより、絶縁樹脂層と、ヒートシンクおよび配線部材との接着面の剥離の発生や進行をより確実に抑制することができる。

凹部が接触領域の端部におけるコーナー部に形成されていることにより、凹部における熱伝導の低下を最小限に保ちつつ、ヒートシンクおよび配線部材との接着面の剥離の発生や進行を抑制することができる。

ヒートシンクの上面上に、樹脂絶縁層の一端部を覆う壁部およびひさし部を形成して、ひさし部の下面にも凹部を設けることにより、絶縁樹脂層とヒートシンクおよび配線部材との接着面の剥離の発生や進行をより確実に抑制することができる。

本発明のパワーモジュールによると、製造コストの削減を図りつつ、部材間の接続の信頼性を確保しうるパワーモジュールの提供を図ることができる。

（実施の形態１）
−パワーモジュールの構造−
図１は、実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施の形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。

本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。

図２は、実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。図３は、図２の一部を拡大して示す断面図である。本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が図２の紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、Ｃｕ合金からなり半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、金属配線２３をヒートシンク２１に固着する絶縁樹脂層２６とを備えている。図３に示すように、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。

ヒートシンク２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、平板部２１ａは、金属配線２３を支持する支持部材として機能している。そして、フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。ただし、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。

また、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触領域の端部には、凹部２１ｃが形成されている。本実施の形態の凹部２１は、樹脂絶縁層２６の端部の周囲を閉ループ状に取り囲む溝である。この凹部２１ｃにより、樹脂絶縁層２６とヒートシンク２１との接触領域の端部から剥離が生じようとしても剥離の発生が抑制され、最端部で剥離が発生してもその内方への進行が止められる。また、金属配線２３の樹脂絶縁層２６との接触領域の端部にも、凹部２３ａが形成されており、この凹部２３ａにより、樹脂絶縁層２６と金属配線２６との界面における剥離の発生や進行が抑制される。

なお、凹部２１ｃまたは２３ａは、樹脂絶縁層２６との接触領域の端部のうちコーナー部のみに形成されていてもよい。接触領域の端部のうちコーナー部に最も大きな応力が加わるので、その場合にも、剥がれの発生や進行を抑制して、接続の信頼性を確保することができる。そして、熱伝導性が悪化する凹部が最小限であるので、熱伝導性が高く保たれる利点がある。

また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。モジュール樹脂枠５３は、電極端子層５６（バスバー）を支持するための絶縁支持部材として機能する。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電力用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電力用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。

また、本実施の形態のパワーモジュール１０は、Ｐｂフリー半田からなる半田層１４を備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田は除くものとする。

絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、３００℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。

絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下、たとえば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。

本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、Ｃｕ合金（黄銅系）を用いている。Ｃｕ合金の場合、熱伝導率がＡｌよりも高く、ヒートシンク２１の放熱機能が高いという利点がある。特に、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ程度で、Ａｌの熱膨張係数は２３ｐｐｍ／Ｋ程度であるので、エポキシ樹脂の熱膨張係数１３ｐｐｍ／Ｋとの熱膨張係数差は、Ｃｕの方が小さい。Ｃｕ合金（黄銅系）は、ダイキャストによる成形も可能なので、製造コストも抑制することができる。ただし、その成形性はＡｌ（またはＡｌ合金）には劣る。本発明のヒートシンクの構成材料は、Ｃｕ合金に限定されるものではなく、たとえば、Ｃｕ，ＡｌまたはＡｌ合金などの金属、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を、性能，加工性，製造コストなどを考慮して、適宜選択することができる。

上述のように、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／Ｋ前後であり、エポキシ樹脂の熱膨張係数は１３ｐｐｍ／Ｋ程度であるので、樹脂絶縁層２６とヒートシンク２１との接触領域に熱応力が作用し、接触領域の端部で特に大きな応力が作用する。そして、最端部から樹脂絶縁層２６とヒートシンク２１との間に剥がれが生じるおそれがあるが、本実施の形態の構造においては、凹部２１ｃによって剥がれの発生が抑制される。また、最端部で剥がれが発生しても、凹部２１ｃにおいて、剥がれの内方への進行が止められる。すなわち、従来のような半田に代えて、樹脂絶縁層２６を用いることで、積層される部材の数を低減して、製造コストの削減を図りつつ、接合部の信頼性を維持することができる。

また、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金によって構成した場合には、Ａｌの熱膨張係数は２３ｐｐｍ／Ｋ程度であるので、エポキシ樹脂の熱膨張係数１３ｐｐｍ／Ｋとの熱膨張係数差は、Ｃｕとエポキシ樹脂との熱膨張係数差の約２．５倍になるが、その場合であっても、凹部２１ｃにより、接続の信頼性を確保することができる。特に、ＡｌまたはＡｌ合金を用いると、製造コストの安価な押し出し成形加工によって微細なフィンを形成することができるという利点がある。

また、金属配線２３の厚みは約０．６ｍｍであり、大電力が流れるために電気抵抗をできるだけ抑制するようにしている。また、本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いている。ＣｕまたはＣｕ合金の場合、電気抵抗値がＡｌよりも小さく、熱伝導率もＡｌより大きいので、配線材料として好ましい。ただし、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金などの他の金属や，Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。

樹脂絶縁層２６とヒートシンク２１との接触領域の場合と同様に、樹脂絶縁層２６と金属配線２３との接触領域においても、熱応力に起因して最端部おける剥がれが生じるおそれがあるが、凹部２３ａにより、剥がれの発生や、剥がれの進行が抑制されることになる。

以上のように、本実施の形態によると、図５に示される放熱基板１０１やＤＢＡ基板などの部材を用いることなく、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んでヒートシンク２１に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、ヒートシンク２１の絶縁樹脂層２６との接触領域の端部に凹部２１ｃを、金属配線２３の樹脂絶縁層２６との接触領域の端部に凹部２３ｃを、それぞれ形成しているので、ヒートシンク２１や金属配線２３の樹脂絶縁層２６との接続部における剥がれの発生や進行を抑制することができ、接続の信頼性を高く維持することができる。

また、従来用いられていた２つの半田層に代えて、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば積層点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田はまだ得られていない。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が３００℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係るパワーモジュールの拡大断面図である。図４は実施の形態１における図３に相当する部分の構造を示している。以下の説明においては、実施の形態１と同じ構造を有する部材については、図３と同じ符号を付して、説明を省略する。また、本実施の形態では、図１や図２に相当する構造の図示は省略するが、図４に示す部分以外の構造は、実施の形態１と同じである。ただし、本実施の形態においては、ヒートシンク２１は、Ａｌ合金を押し出し成形することによって形成されている。

図４に示すように、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいては、ヒートシンク２１の平面部２１ａからほぼ垂直に延びる壁部２１ｄと、壁部２１ｄの先端から内方に延びるひさし部２１ｅとが設けられている。つまり、ヒートシンク２１の平面部２１ａから突出した部分が、図４の紙面に垂直な軸の回りに折り曲げられた構造となっている。そして、樹脂絶縁層２６は、ひさし部２１ｅと平面部２１ａとの間隙に入り込んでいる。

本実施の形態では、実施の形態１と同様の凹部２１ｃに加えて、ひさし部２１ｅの下面における端部にも、凹部２１ｆが形成されている。そして、この凹部２１ｆにより、ひさし部２１ｅの先端部におけるヒートシンク２１と樹脂絶縁層２６との剥がれの発生や、発生した剥がれの進行が抑制されている。金属配線２３の構造は、実施の形態１と同じであり、凹部２３ａにより、金属配線２３と絶縁樹脂層２６との剥がれの発生や剥がれの進行が抑制されている。

本実施の形態によっても、実施の形態１と同様に、製造コストの削減を図りつつ、接合の信頼性を確保することができる。特に、本実施の形態では、構造上、押し出し成形によってヒートシンク２１を加工することにならざるを得ないが、樹脂絶縁層２６を壁部２１ｄとひさし部２１ｅとによって覆うことにより、熱膨張係数の差が大きい樹脂絶縁層２６とヒートシンク２１との接続をより確実に確保することができる。

本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。

上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。

ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。

（他の実施の形態）
上記各実施の形態では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。

実施の形態におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールセットのII-II線における断面図である。 図２の一部を拡大して示す，実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。 従来のＩＧＢＴチップを搭載したパワーモジュールの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電力用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２１ｃ 凹部
２１ｄ 壁部
２１ｅ ひさし部
２１ｆ 凹部
２３ 金属配線
２３ａ 凹部
２５ Ｏリング
２６ 絶縁樹脂層
４０ ゲル層
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 空間
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層

Claims (4)

1. ヒートシンクと、
   半導体チップと外部機器とを電気的に接続するための配線部材と、
   前記配線部材と前記ヒートシンクとを固着する絶縁樹脂層とを備え、
   前記ヒートシンクおよび配線部材における絶縁樹脂層との接触領域の端部には、それぞれ凹部が形成されている、パワーモジュール。
2. 請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
   前記凹部は、前記接触領域の端部の周囲を取り囲んでいる、パワーモジュール。
3. 請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
   前記凹部は、前記接触領域の端部におけるコーナー部に形成されている、パワーモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記ヒートシンクには、上面から上方に延びる壁部と、該壁部の先端から内方に延びるひさし部とが形成され、前記ひさし部の下面に凹部が形成されており、
   前記壁部およびひさし部は、前記絶縁樹脂層の一端部を覆っている、パワーモジュール。

Images