JP2008300476A

JP2008300476A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2008300476A
Application number: JP2007142960A
Authority: JP
Inventors: Takuji Kozu; 卓司神頭
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】部品点数を減らしながら、放熱経路の接続の信頼性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】本発明のパワーモジュール１０は、ヒートシンク２１と、半導体チップ１１と外部機器とを電気的に接続するための配線部材２３と、ヒートシンク２１と配線部材２３との間に介在して接着するための絶縁接着層２６と、配線部材とヒートシンクとを連結する連結部材３１とを備え、ヒートシンクおよび配線部材には溝２１ｃ，２３ｃが設けられていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュールに関し、より具体的には、半導体チップからの発熱を冷却する機能を持つパワーモジュールに関するものである。

ハイブリッド自動車、電気自動車等にはモータ駆動および電力回生用のパワーモジュールが用いられており、パワーモジュールの主要部品である半導体デバイスから損失電力に起因する熱が発生する。とくに装置の大容量化、小型化、処理の高速化などに伴い、半導体デバイスから発生する熱量も大きくなり、放熱経路の各部材の熱膨張係数の相違に起因して、放熱経路内に大きな熱応力が生じる問題が深刻化している。上記の熱応力は、放熱経路内に反りや剥離を生じる。このような放熱経路の構成材料の熱膨張率の差を調和させ、熱応力を緩和するために、Ａｌ配線／ＡｌＮ絶縁基板／Ａｌ板で構成されるＤＢＡ（ Direct Brazed Aluminum ）基板を用いた放熱構造が多く開示されてきた（たとえば特許文献１、２）。

上記のＤＢＡ基板を用いた、ごく一般的な放熱構造を図１１に例示する。図１１に示す放熱構造は、ＣｕＭｏ等により構成された放熱基板１０１の主面側に、当該放熱基板１０１にはんだ層１０２により固定されたＤＢＡ基板１３０が設けられ、そのＤＢＡ基板の上に半導体チップ１２０が搭載されている。ＤＢＡ基板１３０は、上述のようにＡｌ配線１０８／ＡｌＮ絶縁基板１０６／Ａｌ板１０４で構成される。また、放熱基板１０１の裏面側には、グリース１１２によりフィン付きヒートシンク１１３が取り付けられる。上記ＤＢＡ基板１３０および放熱基板１０１等の使用により、熱膨張率の差に起因する熱応力は緩和される。
特開２００４−２９６４９３号公報特開２００５−３２８０８７号公報

上記の放熱経路を備えるパワーモジュールでは、しかしながら、部品点数が多く必要となり、製造コストが高くなるという問題がある。一方で、部品点数を少なくすると、放熱経路の部材間の熱膨張率の差に起因する熱応力が増大して、剥離や反り等の不具合を生じるおそれがある。本発明は、部品点数を減らしながら、放熱経路の接続の信頼性を確保することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、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、ヒートシンクと配線部材との間に介在して接着するための絶縁接着層とを備える。そして、配線部材とヒートシンクとを連結する連結部材を備え、ヒートシンクおよび配線部材には溝が設けられていることを特徴とする。

上記の構成により、配線部材とヒートシンクとを連結する連結部材を、両者間に絶縁接着層を介在させながら配置し、また溝（絶縁接着層が当該溝に充填されている）を設けるので、せん断応力を含む各種の応力が配線部材およびヒートシンク間に作用しても、剥がれが生じるおそれはない。すなわち連結部材、絶縁接着層およびその絶縁接着層が充填された溝の協働作用により、各種の応力発生に対して確実に剥離を防止することができる。

また、上記の連結部材を、ヒートシンクに設けられた雌ねじと、配線部材側から挿入され、雌ねじに螺合する絶縁性ねじとで構成することができる。これによって、連結部材を絶縁性ねじ（たとえばセラミックスねじまたは絶縁性樹脂ねじ）と雌ねじという簡単な手段により構成し、確実な付勢および連結作用を得ることができる。また、ねじには、絶縁性に優れたセラミックスまたは樹脂を用いるので、配線部材からの漏電などを確実に防止することができる。

上記の配線部材とヒートシンクとの間において、絶縁接着層を囲むように、絶縁性の枠部材を配置することができる。この場合、枠部材の厚みはフリーな状態の絶縁接着層の厚みより小さく設定する。このため、連結部材により配線部材とヒートシンクとを相互に近づけるようにして連結した状態で、上記の枠部材は配線部材とヒートシンクとの間隔を決めるスペーサとして機能する。そして、連結部材が、絶縁接着層の弾性力に抗しながら上述の力を及ぼし連結するとき、逆に、反力である絶縁接着層の弾性復元力が、配線部材とヒートシンクとに作用して、密着力を高める。このような接続界面での相手方への応力および反力の作用（界面相互の押し付け合い）の結果、界面での間隙の発生の可能性はなくなり、（配線部材／絶縁接着層／ヒートシンク）の接続の信頼性をより高くすることができる。

上記の枠部材には、当該枠部材が存在しない分離部分を設けることができる。これによって、絶縁接着層に生じる気泡等が、枠部材に完全に包囲されず、その分離部分を通って外部に逃げることができる。気泡が外部に逃げることによって、熱が滞留する部分がなくなり、絶縁接着層中に絶縁性が劣化する箇所の可能性を除くことができる。

上記の配線部材の半導体チップ側に位置する弾性部材を備え、連結部材は、該弾性部材を配線部材との間に挟んで圧縮しながら、その弾性部材と共に配線部材をヒートシンクに近づけるように力を及ぼすことができる。この構成によって、（配線部材／絶縁接着層／ヒートシンク）の界面での相手側への押し付け合いをより大きく、確実にすることができ、したがって上記接続構造の信頼性をより向上させることができる。ここで、弾性部材としては、コイルばね等のばね類や弾性に富むゴムや樹脂をあげることができる。

本発明によれば、部品点数を減らしながら、放熱経路の接続の信頼性を確保することができるパワーモジュールを得ることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュールセット８０を示す斜視図である。パワーモジュールセット８０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、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。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８０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の紙面直交方向に流れている。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にねじ止めされている。また、パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴ（ Insulated Gate Bipolar Transistor ）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機器とを電気的に接続するための配線部材（金属板または銅板）２３と、配線部材２３と半導体チップ１１とを接合する、Ｐｂフリーはんだを含むはんだ層１４と、半導体チップ１１で発生した熱を水などの熱媒体により外に放出するためのヒートシンク２１と、配線部材２３をヒートシンク２１に固着する絶縁接着層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、はんだ層１４によって配線部材２３に導通状態で接合されている。

ヒートシンク２１は、基部（平板部）２１ａと、基部２１ａの裏面側から突出するフィン部２１ｂとからなり、基部２１ａは、配線部材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。

本発明では、ヒートシンク２１に設けられた雌ねじ２１ｄに、配線部材２３の側から当該配線部材２３にあけたねじ孔２３ａを通した連結部材または絶縁性ねじ３１が螺合する。この絶縁性ねじ３１の上記螺合により、配線部材２３とヒートシンク２１とは、絶縁接着層２６を間に挟んで、相互に相手側に近づくような力を作用される。絶縁性ねじ３１の螺合において、絶縁接着層２６は、配線部材２３とヒートシンク２１とに挟まれ、厚み方向に圧縮され、配線部材２３とヒートシンク２１とに対して、弾性復元力の反力を作用させる。このため、上述のように密着力は高いものとなる。さらに、この場合、配線部材２３およびヒートシンク２１には、溝２３ｃ，２１ｃが設けられ、これら溝２３ｃ，２１ｃには、絶縁接着層２６が充填されている。このため、絶縁接着層２６が、ヒートシンク２１と配線部材２３とに対して、アンカー（錨）効果的な作用を及ぼしている。上記の絶縁性ねじ３１と、絶縁接着層２６と、その絶縁接着層が充填された溝２３ｃ，２１ｃとの協働作用により、（配線部材２３／絶縁接着層２６／ヒートシンク２１）の接続構造における各界面で互いに相手側に押し付け合い、せん断方向を含む各種応力などによって界面での剥がれが生じるおそれを封じることができる。その結果、接続の信頼性を大幅に高めることができる。

上記の絶縁性ねじ３１においては、電気絶縁性が高いことが必要である。絶縁性ねじ３１の電気抵抗が高くないと、配線部材２３を通る大電流がねじ３１を通ってリークすることになり、不都合を生じる。絶縁性ねじ３１の材料については、後で詳しく説明する。

また、ヒートシンク２１の絶縁接着層２６との接触領域の端部には、溝２１ｃが形成されている。本実施の形態の溝２１ｃは、図４に示すように、絶縁接着層２６の端部において閉ループ状の溝２１ｃである。また、配線部材２３の絶縁接着層２６との接触領域の端部にも、溝２３ｃが形成されている。図３に示すように、配線部材２３およびヒートシンク２１に設けられた溝２３ｃ，２１ｃには、絶縁接着層２６が充填している。上記の連結部材または絶縁性ねじ３１の配置により、もともと剥がれは生じるおそれがないようにされているが、万一、何かの拍子で絶縁性ねじ３１の作用が効かなくなった場合、絶縁接着層が充填された上記の溝２１ｃまたは２３ｃにより、絶縁接着層２６とヒートシンク２１との接触領域の端部または絶縁接着層２６と配線部材２３との接触領域の端部から、それぞれ剥離が生じようとしても剥離の発生が抑制される。そして、上記の絶縁接着層が充填された溝により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。連結部材（絶縁性ねじ３１など）および溝２１ｃ，２３ｃが正常に機能する場合、絶縁接着層２６を含めた各部分の協働作用により、放熱構造内に剥離が生じることを、より大きな確実性をもって防止することができる。

図５は、図４とは異なる溝２１ｃ，２３ｃおよび絶縁性ねじ３１の配置を示す、本発明の変形例を示す図である。本変形例では、配線部材２３およびヒートシンク２１の端部よりはやや内側に溝２１ｃ，２３ｃが設けられ、その溝２１ｃ，２３ｃのコーナー（コーナー位置は、絶縁接着層２６の端部）に、絶縁性ねじ３１が配置されている。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、そのコーナーにおいて絶縁性ねじ３１によって、上述のようなねじ３１の螺合によって剥離の発生を確実に防止することができる。なお、溝２１ｃまたは２３ｃは、絶縁接着層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。

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と配線部材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と電極端子層５６と半導体チップ１１の上面極板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、配線部材２３、はんだ層１４、絶縁接着層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。

本実施の形態のパワーモジュール１０は、Ｐｂフリーはんだからなるはんだ層１４を備えている。一般に、Ｐｂフリーはんだには、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−２．０％Ｂｉ（液相点２２３℃）、Ｓｎ−２．５％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１．０％Ｂｉ（液相点２１９℃）、Ｓｎ−５．８％Ｂｉ（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−３．０％Ｉｎ（液相点２１６℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５％Ｂｉ−４．０％Ｉｎ（液相点２１１℃）、Ｓｎ−３．５％Ａｇ−０．５％Ｂｉ−８．０％Ｉｎ（液相点２０８℃）、Ｓｎ−３．０％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フリーはんだ、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フリーはんだは除くものとする。

絶縁接着層２６には、本実施の形態では、金属やセラミッ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フリーはんだ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、絶縁接着層２６を形成した後で、Ｐｂフリーはんだ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１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましく、５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより望ましい。

絶縁接着層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０．１μｍ〜０．２μｍ程度であることがより好ましい。絶縁接着層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みと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、放熱性が高くなることになる。

本実施の形態では、絶縁性のねじ３１には、セラミックス材料の場合、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３：体積固有抵抗＞１０^１４Ω・ｃｍ、曲げ強さ２４５〜３４３ＭＰａ）、ステアタイト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２：体積固有抵抗＞１０^１４Ω・ｃｍ、曲げ強さ１１７〜１４７ＭＰａ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２：体積固有抵抗＞１０^１４Ω・ｃｍ、曲げ強さ１４７ＭＰａ）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２：体積固有抵抗＞１０^１３Ω・ｃｍ、曲げ強さ１０８ＭＰａ）、ジルコン・コーディライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２：体積固有抵抗＞１０^１４Ω・ｃｍ、曲げ強さ９８ＭＰａ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４：体積固有抵抗≒１０^１３Ω・ｃｍ、曲げ強さ６３７ＭＰａ）などのセラミックス製のねじを用いることができる。また、セラミックス材料で周知のジルコニア（ＺｒＯ_２：曲げ強さ９８０ＭＰａ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ：曲げ強さ４９０ＭＰａ）は、曲げ強さは優れているが、体積抵抗率は高くなく、本発明の実施の形態では、漏電を生じるおそれがあるので、使用しにくい。上記の体積固有抵抗が高いセラミックスねじは、インターネット販売または専門店を通じて容易に入手できる。ねじのサイズの品揃えも大変、豊富である。セラミックスの場合、脆いので引張強さよりも曲げ強さが問題であり、上記の程度の曲げ強さがあれば、強力なセラミックス製ねじを得ることができる。

本実施の形態では、絶縁性のねじ３１には、樹脂材料の場合、４フッ化・ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：体積固有抵抗＞１０^１８Ω・ｃｍ、引張強さ１４〜３５ＭＰａ）、トリフルオロエチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ：体積固有抵抗≒１．２×１０^１８Ω・ｃｍ、引張強さ３１〜４２ＭＰａ）、ポリふっ化ビニリデン（体積固有抵抗≒２×１０^１４Ω・ｃｍ、引張強さ３６〜５７ＭＰａ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ（４０ＧＦ充填）：体積固有抵抗≒１０^１６Ω・ｃｍ、引張強さ１６４ＭＰａ）、ポリカーボネート（１０／４０％ＧＦ充填：体積固有抵抗≒４〜５×１０^１６Ω・ｃｍ、引張強さ８４〜１７６ＭＰａ）、ポリアミド（無充填：体積固有抵抗≒０．８×１０^１５Ω・ｃｍ、引張強さ９３．５ＭＰａ）、ポリイミド（ＧＦ充填：体積固有抵抗≒５×１０^１５Ω・ｃｍ、引張強さ１９０ＭＰａ）や、その他の、電気絶縁性・高強度樹脂を用いることができる。樹脂の場合は、引張強さがネックとなるため重要であり、ガラス繊維（ＧＦ： glass fiber）を充填し、強度を高めたものを用いるのがよい。体積固有抵抗が比較的高いものが多いので、ねじの断面積を大きくとって応力を小さい範囲に抑えることが望ましい。

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。とくに熱膨張係数は１７ｐｐｍ／Ｋ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のほうが小さい。Ｃｕ合金（黄銅系）は、ダイキャストによる成形も可能なので、製造コストを抑制することができる。ただし、その成形性はＡｌまたはＡｌ合金に対して劣る。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、あるいは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、絶縁接着層２６とヒートシンク２１との接触領域に熱応力が作用し、接触領域の端部でとくに大きな応力が作用する。そして、最端部から絶縁接着層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、本実施の形態の構成では、絶縁性ねじ３１の雌ねじ２１ｄへの螺合、および溝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、溝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、従来のはんだに代えて、絶縁接着層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、接合部の信頼性を向上することができる。

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の熱膨張係数が２３ｐｐｍ／Ｋ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、溝２１ｃにより、接続の信頼性を確保することができる。とくにＡｌまたはＡｌ合金を用いると、製造コストが安価な押し出し成形加工によって多数の微細なフィンを形成できるという利点がある。

また配線部材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、配線部材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、一方、熱伝導率はＡｌより大きいので、配線部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。

絶縁接着層２６とヒートシンク２１との接触領域の場合と同様に、絶縁接着層２６と配線部材２３との接触領域においても、熱応力に起因して最端部において剥がれが生じるおそれがある。しかし、連結部材（絶縁性ねじ３１、雌ねじ２１ｄ）および溝２３ｃによって、剥がれの発生自体また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１１に示される放熱基板１０１やＢＡ基板などの部材を用いることなく、配線部材２３を、絶縁接着層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、連結部材（絶縁性ねじ３１、雌ねじ２１ｄ）を配置して、配線部材２３、絶縁接着層２６およびヒートシンク２１の相互の密着力を高める方策を施す。また、ヒートシンク２１の絶縁接着層２６との接触領域の端部に溝２１ｃを、配線部材２３の絶縁接着層２６との接触領域の端部に溝２３ｃをそれぞれ形成する。上記の連結部材、絶縁接着層および溝の協働作用により、ヒートシンク２１や配線部材２３の絶縁接着層２６との接続部における剥がれの発生および進行を、より確実に抑制することができ、接続の信頼性を維持することができる。

また従来用いられていた２つのはんだ層に代えて、１つのはんだ層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁接着層２６とを用いるので、工程の先後に応じて高融点のＰｂフリーはんだと低融点のＰｂフリーはんだとを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリーはんだだけで済むことになる。現在、Ｐｂフリーはんだとして、比較的、Ｃｕ組成比率の高いＰｂフリーはんだ（たとえば液相点が３００℃以上のＳｎ−５．０％Ｃｕ、Ｓｎ−３．０％Ｃｕ−０．３％Ａｇ）が開発されているが、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリーはんだは未だ得られていない。一方、低融点のＰｂフリーはんだとしては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性が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フリーはんだの液相点よりも高温に耐えうるものが容易に得られる。したがって、本実施の形態によりはんだ層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化をはかることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２におけるパワーモジュール１０を示す断面図である。本実施の形態におけるパワーモジュール１０は、絶縁接着層２６を囲むように絶縁性の枠部材３３が配置されている点に特徴を有する。他の部分は、図３の説明がそのままあてはまるので、繰り返しの説明は行わない。

枠部材３３は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、分離ギャップ部Ｇがあるのがよい。絶縁接着層２６は、溶液タイプと、半固体シート状タイプとがある。溶液タイプの場合、気泡の発生は避けられないが、気泡が絶縁接着層中に残存すると、この後、説明するように不都合を生じるので、気泡は外に追い出すのがよい。枠部材３３に分離ギャップ部Ｇがあると、この分離ギャップ部Ｇから外に気泡を追い出すことができる。枠部材３３には、その他に絶縁性のねじ３１を通す孔３３ａを設ける。

枠部材３３の厚みｔ_１は、絶縁接着層の厚みｔ_０より薄くするのがよい。ねじ３１を雌めじ２１ｄに螺合して、配線部材２３とヒートシンク２１との距離が短縮されるように締結する際に、絶縁樹脂層２６は圧縮力を受ける。このとき絶縁樹脂層２６は、弾性的な反発をするので、ねじ３１はその弾性的な反発を押さえながら螺合するので、締め付けを円滑に行い、堅固な締結を完成することができる。

上記の連結部材であるねじ３１による締結によって、配線部材２３とヒートシンク２１とは互いに相手に向かう力を受けるので、溝２１ｃ，２３ｃだけの場合よりも剥がれの発生を、確実に防止することができる。そして、たええ万一、剥がれが生じたとしても、配線部材２３とヒートシンク２１とは互いに相手に向かう力を受け続け、溝２１ｃ，２３ｃに絶縁接着層２６が充填されるので、剥がれが進展することはない。

図８は、絶縁接着層２６の内部に気泡Ｂがある場合に、漏電の問題が生じるおそれがあることを説明するための図である。絶縁接着層２６には、配線部材２３側から絶えずヒートシンク２１に向かって、熱流がある。気泡Ｂがあると、熱流はこの部分をスムースに流れず、気泡Ｂに熱が蓄積され、気泡Ｂおよびその周囲では、温度上昇が生じる。この結果、絶縁接着層２６を形成するエポキシ樹脂などは変質が生じ、水素等が離脱して炭化が進行する。このため、電気絶縁性能が劣化して、気泡Ｂの周囲は電気抵抗が低くなり、配線部材２３を通過する電流のうち幾分かは気泡Ｂの周囲を伝って外部に漏れ、漏電が発生する。上記の気泡Ｂを防止するために、上記の枠部材３３には分離ギャップ部Ｇを設け、その分離ギャップ部Ｇから外に気泡Ｂを追い出すことができる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるパワーモジュール１０の部分拡大図である。本実施の形態では、絶縁性のねじ３１にコイルばね３５を配置した点に特徴を有する。他の部分は、図３に示すパワーモジュール１０と同じなので、繰り返しの説明はしない。

配線部材２３にはばね収納凹部２３ｄが設けられ、コイルばね３５は、ばね収納部２３ｄ内において、ねじ３１のヘッド３１ａと、ばね収納凹部２３ｄの底面との間に配置される。ねじ３１の雌ねじ２１ｄへの螺合により、コイルばね３５は、ねじヘッド３１ａの下方への力を受け、配線部材２３を下方のヒートシンク２１へと押す。このとき、絶縁接着層２６にも圧縮力を及ぼし、絶縁接着層２６は反力をコイルばね３５およびねじ３１に付加する。図９に示す構成と同様であるが、弾性部材に弾性力の強いゴム３７を用いた変形例を、図１０に示す。図１０において、弾性力の強いゴム３７は筒形（円筒、角筒など）であり、ゴム収納凹部２３ｅに収納されている。ねじ３１の雌ねじ２１ｄへの螺合により、筒形のゴム３７は、ねじヘッド３１ａの下方への力を受け、ゴム収納凹部２３ｅを通して配線部材２３を下方のヒートシンク２１へと押す。

上記の構成によれば、コイルばね３５または弾性力の強いゴム３７の弾性復元力は、配線部材２３とヒートシンク２１との間の距離を縮める方向に作用する。このため、コイルばね３５または弾性力の強いゴムの配置によって、配線部材２３およびヒートシンク２１の絶縁接着層２６への密着度は向上する。したがって、配線部材２３／絶縁接着層２６／ヒートシンク２１の接続構造は、より堅固に維持される。

（他の実施の形態）
上記の各実施の形態では、絶縁接着増２６を熱硬化性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、絶縁接着層２６の上に配線部材２３を配置した状態でも、気泡Ｂを抜くことは容易なので、絶縁接着層は１回塗りで済み、製造コストをより安価にすることができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。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およ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では、部品点数を減らし、放熱経路の接続の信頼性を向上でき、製造コストの低減に寄与することは言うまでもなく、軽量化や小型化にも寄与することができる。

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールセットの外観を示す斜視図である。図１に示すパワーモジュールセットのＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの断面図である。本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールを例示する平面図である。本発明の実施の形態１におけるさらに別のパワーモジュールを例示する平面図である。本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの断面図である。図６に示す枠部材を示す図であり、（ａ）は平面図であり、また（ｂ）は正面図である。気泡の作用を説明するための図である。本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの部分拡大図である。図９のパワーモジュールの変形例を示す図である。従来のパワーモジュールを示す図である。

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はんだ層、１７信号配線、１８大電力用配線、２１ヒートシンク、２１ａ基部、２１ｂフィン部、２１ｃ溝、２１ｄ雌ねじ、２３配線部材、２３ａねじ孔、２３ｃ溝、２３ｄばね収納凹部、２３ｅゴム収納凹部、２５Ｏリング、２６絶縁樹脂層、３１ねじ、３１ａねじヘッド、３３枠部材、３３ａねじ孔、３５コイルばね、３７筒形ゴム、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電極端子部、８０パワーモジュールセット，Ｂ気泡、Ｇ分離ギャップ部。

Claims

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、
前記ヒートシンクと前記配線部材との間に介在して接着するための絶縁接着層と、
前記配線部材と前記ヒートシンクとを連結する連結部材とを備え、
前記ヒートシンクおよび前記配線部材には溝が設けられていることを特徴とする、パワーモジュール。
前記連結部材が、前記ヒートシンクに設けられた雌ねじと、前記配線部材側から挿入され、前記雌ねじに螺合する絶縁性ねじとで構成され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。
前記配線部材と前記ヒートシンクとの間において、前記絶縁接着層を囲むように、絶縁性の枠部材が位置することを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
前記枠部材には、当該枠部材が存在しない分離部分があることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記配線部材の前記半導体チップ側に位置する弾性部材を備え、前記連結部材は、該弾性部材を前記配線部材との間に挟んで圧縮しながら、その弾性部材と共に前記配線部材を前記ヒートシンクに近づけるように力を及ぼすことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。