JP2009004666A - パワー半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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silicon nitride
semiconductor
insulating substrate
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Hiroyuki Hozoji
Toshiyuki Imamura
Toshiaki Morita
寿之 今村
俊章 守田
裕之 宝蔵寺
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Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Abstract

【課題】
本発明の目的は、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能の向上したパワー半導体モジュールを提供することにある。
【解決手段】
窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたCu又はCu合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたCu又はCu合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とCu又はCu合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が400W/m.K 以上であることを特徴とする半導体モジュール。
【選択図】図1

Description

本発明は、パワー半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
半導体デバイス、特に、大電流をスイッチング制御するパワー半導体デバイスでは、発熱量が大きいため、パワー半導体素子の動作安定性を確保するためには、冷却効率の優れる冷却構造が検討されている。半導体デバイスの冷却に要求される性能は、半導体モジュールを実装した電気回路モジュールが搭載される電機システムの様々な環境によって異なる。例えば自動車に搭載された電力変換装置では、車両への搭載環境,動作環境などから電気装置の冷却に高い性能が要求される。
ここで、従来の半導体デバイスとしては、例えば、特許文献1の特許公開公報には、炭素繊維複合材を用いた半導体モジュールについての記載があり、耐熱性ならびに温度サイクル特性の向上に優れ、かつ低熱抵抗化を可能とするため、素子投入電流を1.5 から2.0 倍化することが可能となり、素子サイズのあるいは搭載素子数の低減が可能となり、低コスト化を達成することが可能となる。
特開2005−5400号公報
近年、パワーモジュールが搭載される電力変換(インバータ)システムでは、システムのさらなる小型化,低コスト化及び高信頼化が課題になっている。例えば自動車では、パワーモジュールが搭載される電力変換システムの小型化,低コスト化及び高信頼化が重要な課題になっている。すなわち自動車では、地球環境に及ぼす影響の低減,燃費のさらなる向上などが望まれている。これを達成するためには車両駆動或いは車載補機駆動の電動化の普及が必須であり、そのためには、電力変換装置における車両への搭載性改善,電力変換装置の価格低下などが必須である。このため、自動車では、電力変換装置の小型化,低コスト化及び高信頼化が重要な課題になっている。
とりわけ、通電により自己発熱する半導体素子によって電気回路が構成された電力変換システムでは、機器の小型によって機器の熱容量が大きくなる。このため、電機システムのさらなる小型化,低コスト化さらにパワーモジュールの動作安定性すなわち高信頼化にあたっては、パワーモジュールの冷却性能のさらなる向上を考慮する必要がある。このような背景のもと、駆動モータ出力が15kWを超えるストロング・タイプのハイブリッド車(以後、単にHEV車と記載する)においては、パワーモジュールの熱抵抗値Rj−wを0.15℃/W以下にすることが要求されている。
ここで、特許文献1の半導体モジュールでは、半導体素子とヒートシンクとの間に炭素繊維複合材層を設け、半導体素子と炭素繊維複合材層との間に半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材層の全面に伝導する伝熱金属板を設けることで冷却性能を向上させようとする試みがなされている。更に、ヒートシンクと炭素繊維複合材層との間に熱バッファ用の中間ヒートシンク(銅板)を設けている。しかし、HEV車に用いる場合には、パワーモジュールとしての放熱性に難点がある。特許文献1では、絶縁体(セラミックス)と炭素繊維複合材の間に、Cu板からなる中間ヒートシンク層を設けているが、この中間ヒートシンク層は、熱容量を稼ぐための観点では、モジュール自身の熱抵抗低減に効果がある。
しかし、ストロング・タイプのHEV車は、300V×300Aを超える電力がパワーモジュールに投入されるため、この場合には、逆に、この中間ヒートシンク層に熱が堆積して、熱抵抗を増加させてしまう。このため、上記HEV用のパワーモジュールに求められる熱抵抗値Rj−w:0.15℃/W以下を達成することが困難である。
本発明の目的は、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能の向上したパワー半導体モジュール、及び、このパワー半導体モジュールを用いて小型化,低コスト化及び高信頼化を図れるインバータ・システム,電力変換システム及び車載用電機システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたCu又はCu合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたCu又はCu合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とCu又はCu合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が400W/m.K以上であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、Ag粉末又はAgシート接合材により接合されており、接合層の熱伝導率が80W/m.K以上400W/m.K以下であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材の厚さが0.2 〜5mmの範囲であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材の表面にNiあるいはCuの表面層を有し、前記表面層の厚さが、0.5μm 〜20μmであることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材と前記金属回路板とが、Ag−Cu−In系のろう材で接合され、前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板、及び、前記窒化ケイ素基板と前記放熱ベースが、Ag−Cu−In−Ti系のろう材で接合されていることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記放熱板の直下に冷却水を接触させる直接冷却構造を備え、前記冷却水の水量が5L/min以上,15L/min以下、水圧が5kPa〜50kPaの範囲にあることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明は、炭素繊維−金属複合材とその上面に配備されたCu又はCu合金からなる金属回路板との接合、また、炭素繊維−金属複合材とその下面に配備された窒化ケイ素基板との接合、ならびに、窒化ケイ素基板とその下面に配備されたCu又はCu合金からなる放熱ベースとの接合に、Ag−Cu−In−Ti系のろう材層を用い、接合温度を600℃から750℃で一括接合したことを特徴とする。
かかる構成により、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能を向上し得るものとなる。さらには、電力変換システム及び車載用電機システムの小型化,低コスト化及び高信頼化を図れるものとなる。
本発明によれば、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能を向上が可能な半導体モジュールを提供することが可能である。
また、電力変換装置及び車載用電機システムを、小型化,低コスト化及び高信頼化を図ることができる。
以下、図面に基づいて、本発明の各実施形態を説明する。
以下に説明する実施形態では、本発明のパワー半導体モジュールと当該モジュールが搭載される電力変換装置として、特に熱サイクルや動作的環境などが大変厳しい車載用インバータ装置を例に挙げて説明する。車載用インバータ装置は、車載電動機の駆動を制御する制御装置として車載電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリから供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車載電動機に供給することにより、車載電動機の駆動を制御する。
なお、以下に説明する構成は、DC/DCコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或いは交流−直流電力変換装置の電力変換部を構成するパワーモジュールにも適用可能である。
また、以下に説明する構成は、工場の電動機駆動システムなどの産業用電機システムに搭載された電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電動機駆動システムなどの家庭用電機システムに搭載された電力変換装置の電力変換部を構成するパワーモジュールにも適用可能である。
最初に、図1〜図6を用いて、本発明の実施形態によるパワー半導体モジュールについて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子1,金属回路板2,炭素繊維−金属複合材5,絶縁基板(窒化ケイ素絶縁基板)7、及び、放熱板8で構成される。窒化ケイ素絶縁基板7の一方の面にCu又はCu合金からなる金属回路板2が配置され、金属回路板2に半導体素子1が素子下接合層3により接合されている。窒化ケイ素絶縁基板7と金属回路板2との間には、炭素繊維とCu又はCu合金からなり、熱伝導率が400W/m.以上である炭素繊維−金属複合材5が配置されている。炭素繊維−金属複合材5と、窒化ケイ素絶縁基板7,金属回路板2とはろう材4により接合されている。また、窒化ケイ素絶縁基板7の他方の面には、Cu又はCu合金からなり放熱板8がろう材4を介して接合されている。
半導体素子1としては、IGBT素子(Insulated Gate Bipolar Transistor)の他、MOS−FET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などを用いることが可能である。
炭素繊維−金属複合材5の表面には、金属回路板2,窒化ケイ素絶縁基板7との接合性を向上させるために表面層6としてNi層あるいはCu層が設けられる。この表面層6の厚さは、0.5μm〜20μmの範囲とすることが好ましい。
また、金属回路板2と半導体素子1とを接合する素子下接合層3としては、はんだ,Ag粉末,Agシート等の接合材を用いることが可能である。この素子下接合層3の熱伝導率が80W/m.K 以上であることが好ましく、高熱伝導率の観点からAg粉末,Agシートの接合材を用いることが好ましい。
また、炭素繊維−金属複合材5と、その上面に配備された金属回路板2との接合、また、その下面に配備された窒化ケイ素絶縁基板7との接合ならびに窒化ケイ素絶縁基板7と、その下面に配備されたCu又はCu合金からなる放熱板8との接合には、Ag−Cu−In−Ti系のろう材層4を用いることが好ましい。
炭素繊維−金属複合材5は、炭素繊維自身の熱伝導率が1000W/m.K程度であり、マトリックス金属のCuあるいはCu合金の390W/m.Kよりも2.5倍程度あるため、炭素繊維の配向方向が炭素繊維−金属複合材の熱伝導率に大きく寄与する。したがって、一方向に炭素繊維を配向させた炭素繊維−金属複合材を厚さ方向となるように実装することで、半導体モジュールの熱抵抗を低減することが可能となる。
炭素繊維−金属複合材5の炭素繊維としては、熱伝導性が比較的高いものであれば特に限定されないが、例えば東レ社の炭素繊維(商品名:トレカクロス、タイプ:Carbon Fabrics)等を用いることができる。また、精製された木タールを減圧雰囲気下で加熱してピッチ化し、得られたピッチを溶融紡糸によってピッチ繊維とし、得られたピッチ繊維を炭化して炭素繊維として用いてもよい。この場合、精製された木タールを、圧力:2mmHg以上10mmHg以下、温度:100℃以上220℃以下の減圧雰囲気下で加熱してピッチ化する。さらに、上記工程により得られたピッチを粉砕した後、温度:140℃以上180℃以下で、窒素ガス圧力を用いて溶融紡糸を行ってピッチ繊維とする。なお、得られたピッチ繊維を炭化して炭素繊維に変える工程については、石油や石炭から得られるピッチを原料とする従来のプロセスと同様の条件を適用することができる。
次に、本実施形態の半導体モジュールを構成する金属回路板,炭素繊維−金属複合材,セラミックス材およびCu又はCu合金の接合方法を以下に示す。本実施形態において、炭素繊維−金属複合材5は、研削加工により50mm×30mm×3mmtのサイズに整え、表面層6を形成したものを用いた。また、金属回路板2として、50mm×30mm×0.1mmtサイズのCu板を用いた。また、放熱板8として85mm×50mm×3mmtサイズの無酸素Cuベースを用いた。また、炭素繊維−金属複合材5と放熱板8の間に位置する絶縁層には、50mm×30mm×0.32mmt サイズの窒化ケイ素絶縁基板7を用いた。窒化ケイ素絶縁基板7の製造方法は、量産性に優れるシート成形法によりグリーンシートを作製し、500℃×6hの脱バインダー処理を行い、9気圧の加圧窒素雰囲気にて1800℃〜1950℃×2h〜6hの条件で焼成することで焼結体シートを得た。続いて、300メッシュのアルミナ製砥粒を用いたサンドブラストにより焼結体シートの表面性状を整えた。
続いて、スクリーン印刷法により、炭素繊維−金属複合材5の表面にAg−Cu−In系ろう材を、裏面にAg−Cu−In−Ti系ろう材を塗布した。また、窒化ケイ素絶縁基板7の片側の面にAg−Cu−In−Ti系ろう材を塗布した。続いて、カーボン製のろう付けセット治具に、表面側から金属回路板2,表裏面にろう材を塗布した炭素繊維−金属複合材5,窒化ケイ素絶縁基板7および放熱板8をセットし、これにセラミックス製のばねを用いて0.1MPa の荷重を負荷した。なお、窒化ケイ素絶縁基板7のセットについては、上記ろう材の塗布面をCuベース板との接合面となるようにした。これを真空ろう付け炉の炉内に挿入し、真空度:2.0×10-3Pa,保持条件760℃×10minにて実施し、金属回路板2,炭素繊維−金属複合材5,放熱板8を一括接合した。
続いて、半導体素子1の搭載はナノAg粒子のよる接合方法を採用した。素子下接合層3として、粒子表面に予め濃度0.5% のポリアクリル酸を塗布した1次粒子径が20〜500nmの範囲にあるナノAg粉末粒子を用いた。金属回路板2と半導体素子1との接合面にナノAg粉末粒子を塗布し、大気中で200℃〜350℃の温度範囲、加熱時間は3分、負荷圧力を1.0MPa として、金属回路板2と半導体素子1を接合し、図2に示した半導体モジュールを得た。
以下、素子下接合層3,ろう材層4,炭素繊維−金属複合材5,炭素繊維複合材表面層6,窒化ケイ素絶縁基板7,放熱板8の構成部材の効果について説明する。
図2は、本発明の半導体モジュール10に用いる炭素繊維−金属複合材5の熱伝導率および厚さとこれを用いた半導体モジュール11の熱抵抗との関係を示した図である。なお、図中の炭素繊維複合材についての熱伝導率の表記はWと簡略化した。
本評価では、半導体素子サイズ:12mm×12mm,素子数:1,Cu回路板:50mm×30mm×0.1mmt ,炭素繊維−金属複合材:50mm×30mm,放熱ベース:85mm×50mm×3mmt、素子下接合層は、ナノAgを用い、熱伝導率は180W/m.K である。
炭素繊維−金属複合材のCu表面層厚さは5μmtとした。半導体モジュール11の熱抵抗(Rj−w)は、炭素繊維複合材の熱伝導率および厚さに影響を受ける。炭素繊維複合材の熱伝導率が50W/m.K の場合には、炭素繊維複合材自身は放熱性に寄与せず、その厚さが増大するとRj−wは増加する。
炭素繊維複合材の熱伝導率が100W/m.K の程度の場合には、炭素繊維複合材自身は放熱性に効果を発揮しはじめ、その厚さが増大すると0.5mmt でRj−wは低下する。また、1mmt以上となると増加する傾向にあり、炭素繊維複合材の適性厚さが存在する。しかしながら、この場合では、所望のRj−w:0.15℃/W 以下に低減することが出来ない。
さらに炭素繊維複合材の厚さ方向の熱伝導率を400W/m.Kに向上させると、0.2mmt〜5mmtのいずれの厚さにおいても、所望のRj−w:0.15℃/W 以下とすることが可能である。
したがって、炭素繊維複合材の熱伝導率が400W/m.K 以上であることが望ましい。さらに好ましくは、炭素繊維複合材の厚さ2.5mmt〜3.5mmtの範囲とすることが良い。
なお、本発明の半導体モジュールの熱抵抗評価に用いた炭素繊維複合材の厚さ方向の熱伝導率は、それぞれ50W/m.K,100W/m.K,130W/m.K,600W/m.Kおよび1000W/m.Kであるが、これらの素材は炭素繊維とCuからなる複合材料であり、順に、炭素繊維含有量が30vol.%で無配向のもの、炭素繊維含有量が30vol.%で一方向に配向させたもの、炭素繊維含有量が52vol.% で一方向に配向させたものおよび炭素繊維含有量が80vol.%で一方向に配向させたものである。炭素繊維複合材の熱伝導率の測定には、京都電子工業製;熱物性評価装置を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。測定に供した試料形状は、φ10×3tに加工したものを用いた。
図3は、本発明の半導体モジュールに用いる半導体素子下接合層の熱伝導率とこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。搭載する半導体素子数が1素子と2素子の場合について示している。本評価では、半導体素子サイズ:12mm×12mm,Cu回路板:50mm×30mm×0.1mmt,炭素繊維−金属複合材:50mm×30mm×3mmt,放熱ベース:85mm×50mm×3mmt,炭素繊維−金属複合材の熱伝導率:400W/m.K,炭素繊維−金属複合材のCu表面層厚さは5μmtとした。
素子下接合層に、無鉛はんだを用いた場合には、2素子搭載では、所望のRj−w:0.15℃/W以下にすることが可能であったが、これを1素子搭載では、Rj−wが0.24℃/Wとなり、HEV用インバータへの搭載ができない。
一方、素子下接合部の接合層の熱伝導率を80W/m.K 以上とした場合には、1素子搭載であっても所望のRj−w:0.15℃/W 以下が達成できており、かつ素子数低減により、低コスト化が可能である。したがって、本発明に用いる接合層の熱伝導率は80W/m.K以上が望ましい。
ここで、本発明の半導体モジュールの熱抵抗評価に用いた素子下接合層の熱伝導率は、それぞれ35W/m.K,80W/m.K,130W/m.K,180W/m.Kおよび260W/m.Kであるが、これらの接合材は、35W/m.KのものがSn−3wt%Ag−0.5wt%Cu 組成の無鉛はんだ材であり、以下は順に、ナノAg粉末から構成されるものであり、これらの空隙率が体積比で35%,6%および0.5% のものである。また、当接合層の厚さは0.76μm〜0.87μmの範囲に調整した。
ナノAg粉末による素子下接合層の形成には、1次粒子径が20〜500nmの範囲にあるナノAg粉末粒子を用い、予め濃度0.5% のポリアクリル酸を粒子表面に塗布した。ポリアクリル酸は適度な粘着性があり、かつ大気中加熱時に酸化消失する。このため、接合前は半導体素子や接続配線などの位置あわせが容易になり、接合後にはポリアクリル酸は無くなるので接合性を妨げることはない。本実施例ではポリアクリル酸を用いたが、粘着材としてはこの限りではない。
上記、空隙率の調整は、大気中で200℃〜350℃の温度範囲で実施した。この際の加熱時間は3分、また、負荷圧力は1.0MPaとした。
図4は、本発明の半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層t1の厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および温度サイクル寿命の関係を示した図である。図4における半導体モジュールの構成について、半導体素子サイズ:12mm×12mm,Cu回路板:50mm×30mm×0.1mmt ,炭素繊維−金属複合材:50mm×30mm×3mmt,放熱ベース:85mm×50mm×3mmt,炭素繊維−金属複合材の熱伝導率:400W/m.K である。半導体モジュールの熱抵抗は、1モジュールにかかる通電電流を200Aとして通電時間を30sec とした場合の飽和熱抵抗値を測定した。また、温度サイクル寿命については、初期熱抵抗値の1.2倍となったサイクル数とした。
t1厚さが、0.5μm 以下では、炭素繊維複合材の表面層とろう材層との反応が維持できず、炭素繊維複合材と窒化ケイ素基板との接合強度の低下を招聘する。このため、冷熱繰り返しに対する温度サイクル特性が低下し、冷熱サイクル試験500サイクル後に、炭素繊維複合材/窒化ケイ素基板界面にクラックが進展し、これにより初期熱抵抗の50%増加となり、半導体素子に過大な熱負荷がかかりパワーモジュールとして機能を消失する。
一方、t1厚さが、20μm超では、炭素繊維よりも熱伝導率の低い炭素繊維複合材の表面層自身の熱伝導率が律則となり、半導体モジュールの熱抵抗が0.15℃/W以上となる。
したがって、半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層t1の厚さは、0.5μmから20μmの範囲にあるのが望ましい。
図5は、本発明の半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の熱伝導率および半導体の素子数と、これに用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。なお、図中の炭素繊維複合材についての熱伝導率の表記はWと簡略化した。
図5における半導体モジュールの構成について、Cu回路板:50mm×30mm×0.1mmt ,炭素繊維−金属複合材:50mm×30mm×3mmt,放熱ベース:85mm×50mm×3mmt,炭素繊維−金属複合材の熱伝導率:400W/m.K 、炭素繊維−金属複合材のCu表面層厚さは5μmtである。
半導体の搭載数の増大により、半導体モジュールの熱抵抗は低下する。また、炭素繊維複合材の熱伝導率が、400W/m.K以上では、素子数1であっても熱抵抗0.15℃/W以下となる。前述のように半導体モジュールの放熱性と低コスト化の両立が重要であるが、0.15℃/W 以下の範囲にあるのは、素子数が2以上であればよい。一方、素子面積ならびに素子数は、素子自身のコストに影響し、いずれも低減させることが望ましい。さらに素子面積の低減は、実装スペースの省力化に繋がる。したがって、本発明に用いる炭素繊維複合材の熱伝導率は、400W/m.K以上であり、搭載する半導体素子に関して、素子数1であることがより好ましい。
図6は、本発明の半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれに用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率との関係を示した図である。本評価において、Cu回路板:50mm×30mm×0.1mmt ,炭素繊維−金属複合材:50mm×30mm×3mmt,放熱ベース:85mm×50mm×3mmt,炭素繊維−金属複合材の熱伝導率:400W/m.K、炭素繊維−金属複合材のCu表面層厚さは5μmtとした。
半導体素子サイズ(素子面積)の増大により、半導体モジュールの熱抵抗は低下する。また、半導体素子中に導入される欠陥率は、10mm×10mmの素子で0.9% と最も小さくなる。半導体モジュールの放熱性と低コスト化の両立が重要であるが、0.15℃/W 以下の範囲にあるのは、素子サイズ10mmL以上であればよい。一方、素子面積ならびに素子数は、素子自身のコストに影響し、いずれも低減させることが望ましい。さらに素子面積の低減は、実装スペースの省力化に繋がる。したがって、本発明に搭載する半導体素子に関して、素子サイズは10mm、素子数1であることがより好ましい。
次に、図1に示した半導体モジュールにおいて、ろう材層4のろう材組成,接合温度と、接合界面ボイド率,ろう材流れの関係について評価した結果を表1に示す。表1において、A界面,B界面およびC界面は、それぞれ、Cu回路板−炭素繊維複合材間、炭素繊維複合材−窒化ケイ素基板間および窒化ケイ素基板−Cu又はCu合金からなる放熱ベース間の接合界面を示す(図1参照)。各接合界面のボイド率の評価については、超音波画像診断装置(日立建機製:Hi−Focuse)を用い、各界面の面積を100%とした場合に検出されるボイドの面積割合を算出した。ここで、各接合界面でのボイド率は、接合強度および放熱性確保の観点から5%以下であることが好ましい。また、ろう材流れとは、ろう材成分のAg成分が金属回路板およびCu又はCu合金からなる放熱ベースの表面を拡散する現象を示す。本評価では、A,BおよびCの各界面の端部から2mm以上拡大した場合をろう材流れ有とした。ろう材流れがある場合、外観の不均一性に加えて、めっき表面の粗面化,はんだ濡れ性の劣化が生じる。このため、ろう材流れを抑制することが肝要である。
表1の実施例No.1〜6は、A界面のろう材にAg−25Cu−10In,Ag−25Cu−5Inを、B,C界面にAg−25Cu−10In−2Ti,Ag−25Cu−5In−2Tiを使用し、接合温度を680℃及び750℃で接合したものである。実施例No.1〜6では、いずれの系においても接合界面ボイド率を4.5% 以下に抑えられ、各界面において良好な接合状態が得られた。また、ろう材流れも発生しなかった。
表1の比較例No.21,22は、A界面のろう材にInを含まないAg−Cu系のろう材(Ag−25Cu,Ag−20Cu)を使用し、接合温度を750℃として接合したものである。この比較例No.21,22では、ろう材の溶融温度が上昇し、A界面での接合界面ボイド率は5%超となった。
また、表1の比較例No.23,24は、B,C界面のろう材にInを含まないAg−Cu−Ti系のろう材(Ag−25Cu−2Ti,Ag−20Cu−2Ti)を使用し、接合温度を750℃として接合したものである。比較例No.21,22と同様に、比較例No.23,24ではB,C接合界面の接合界面ボイド率が5%超となった。
また、表1の比較例No.25〜28は、実施例No.1,2と同様のろう材組成を用いて、接合温度をそれぞれ500℃,560℃,820℃,850℃として接合したものである。接合温度を600℃未満とした比較例No.25,26では、いずれの接合界面においても接合界面ボイド率が5%超となった。また、接合温度を800℃超とした比較例No.27,28では、いずれの接合界面でもボイド率が5%以下となるものの、金属回路板および放熱板にろう材成分が流れる不具合が生じた。
以上の結果から、A,B,C界面のろう材としてInを含むことで接合界面ボイド率を低下でき、特にA界面はAg−Cu−In系ろう材、B,C界面はAg−Cu−In−Ti系ろう材とすることが好ましい。また、ろう材組成としては、Ag−Cu−In系が75Ag−25Cu−10Inであり、Ag−Cu−In−Ti系が75Ag−25Cu−10In−2Tiであることが好ましい。また、接合温度は、600℃〜800℃とすることが好ましい。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図7に、本実施形態の半導体モジュール形状を示す。図1に示した半導体モジュールをポリイミド系の接着剤を用いて130℃×3h×大気処理によりPPS樹脂製ケース15と放熱板8とを接着し、半導体素子1および金属回路板2とPPS樹脂製ケース15に配置された配線パッド12にφ400μmのAl製ワイヤー16を用いて、ワイヤーボンディング処理を行い、続いて、絶縁ゲル17をモジュール内に流し込んで、160℃×3h×大気圧処理によりゲル硬化させ半導体モジュールを得た。
更に、この半導体モジュールを放熱板8の裏面に冷却ジャケット18を取付け、図8に示す半導体モジュールを得た。冷却ジャケット18は、放熱板8の裏面に防漏水シール20を介して樹脂製ケース15,放熱板8の外周部の位置で締結ボルト21により固定されている。防漏水シール20は締結ボルト21より内側に設置されている。冷却ジャケット18は冷却水が流れる冷却水流路19を備えており、搬水ポンプにより水量,圧力を制御することが可能である。この冷却構造は、冷却ジャケット18の冷却水流路19を流れる冷却水が放熱板8に直接接触する構造となっている。従来の冷却構造では図10に示したように、半導体モジュールの放熱板裏面と、アルミダイカスト合金製の水冷ジャケット18の表面とを放熱グリース22を介して取付けた間接冷却構造となる。従って、間接冷却構造と比較して本実施形態の直接冷却構造は優れた放熱性を有する。
次に、図8に示す本実施形態の半導体モジュールについて、モジュール特性として熱抵抗(℃/W)、温度サイクル特性を評価した。本評価では、炭素繊維−金属複合材の熱伝導率と厚さ,表面層の材質と厚さ,半導体素子のサイズ及び数,素子下接合層の材質及び熱伝導率、及び、冷却水の水量,水圧の条件をかえて作製した半導体モジュールのモジュール特性を評価した。評価結果を表2に示す。なお、半導体素子のサイズの表記について、例えば、13.5mm2は、縦×横の長さが13.5×13.5であることを示している。
半導体モジュールの熱抵抗測定は、キャッツ電子製パワー半導体熱抵抗評価装置を用い、通電電流200A,通電時間30sec 後の熱抵抗を評価した。温度サイクル特性については、温度サイクル条件を−40℃⇔RT⇔125℃とし、初期の熱抵抗値に対して1.2倍となるサイクル数を合否の判定基準とした。この場合、3000サイクル以上の信頼性を維持することが望ましい。
表2の炭素繊維−金属複合材の熱伝導率の測定方向であるZ方向,X方向,Y方向とは、それぞれ、厚さ方向,短辺方向および長辺方向を示す。
本評価で用いた炭素繊維−金属複合材5は、炭素繊維と平均粒子径が1μm〜200μmのCuおよびCu粉末を用い、所定の寸法サイズのカーボン製金型にこれらを充填し、通電パルス焼結法により炭素繊維−金属複合材を得た。CuおよびCu粉末の平均粒子径については、粒子径が1μm未満では、比表面積が大きくなり粉末表面に銅酸化膜が形成され易くなり、焼成反応の促進の障害となる。また、粒子径が大きい場合は、粒子自身の溶融反応が生じ難くなり、この場合においても焼結阻害が生じる。焼結条件は、950℃〜1030℃×2時間×50Mpaの条件で、窒素雰囲気にて実施した。ここで、熱伝導率の調整は、炭素繊維と金属粉末の充填量比ならびに炭素繊維の配向制御により実施した。焼結方法は、通電パルス焼結法以外では、通常のホットプレス法を用いることもできる。
また、本評価において、冷却ジャケットは搬水ポンプにより水量:0〜30L/min,圧力:0〜100kPaの範囲で制御できるものを使用した。
表2において、実施例No.1〜3として、Z方向及びX方向の熱伝導率が600W/m.K、Y方向の熱伝導率が120W/m.Kであり、表面層として5μmのCu層を有する炭素繊維−金属複合材を用い、13.5mm×13.5mmの半導体素子1個を接合材料としてAg粉末を用いた熱伝導率180W/m.K の素子下接合層により接合し、冷却ジャケットの水量:10L/min、圧力:15kPaとした半導体モジュールを用いて、炭素繊維−金属複合材の厚さをそれぞれ2μm,3μm,4μmとして評価を行った。
また、実施例No.4,5として、実施例No.1,2の表面層の材質をNi層に代えて評価を行った。また、実施例No.6〜9として、実施例No.2の炭素繊維−金属複合材の表面層厚さを1μm,10μm,15μm,20μmに代えて評価を行った。また、実施例No.10,11,14,15として、実施例No.2の素子下接合層の材質をAgシートを用いた接合層に代えて、その熱伝導率をそれぞれ180,280,320,400W/m.K のものを用いて評価を行った。また、実施例No.12,13として、実施例No.2の素子下接合層の熱伝導率をそれぞれ220,280W/m.K のものを用いて評価を行った。また、実施例No.16〜21として、実施例No.2の冷却ジャケットの水量,水圧を代えて、水量を12,15,20L/min、水圧を10,20,40kPaとしてそれぞれ評価を行った。また、実施例No.22〜26として、実施例2の半導体素子のサイズ又は個数を代えて評価を行った。また、実施例No.27〜36として、実施例2の炭素繊維−金属複合材の熱伝導率および厚さ,表面層の厚さ,素子下接合層の熱伝導率を代えて評価を行った。
この結果、実施例No.1〜36では、熱抵抗値(Rj−w)が0.15℃/W 以下が可能であり、放熱性に優れかつ冷熱サイクル特性に優れる半導体モジュールが得られた。
次に、表2の比較例のNo.51〜62では、半導体モジュールの熱抵抗値(Rj−w)が0.15℃/W 以下あるいは冷熱サイクル特性を維持することはできなかった。
比較例No.51〜No.53では、実施例No.2の半導体モジュールにおいて、炭素繊維−金属複合材に厚さ方向(Z方向)の熱伝導率が400W/m.K 未満(50,100,130W/m.K)の材料を用いて評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が0.15℃/W超となった。
比較例No.54では、実施例No.2の炭素繊維−金属複合材の表面層に形成されるCu層を0.4μmとして評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が0.15℃/W超となった。これは表面層が薄く、金属回路板/炭素繊維−金属複合材界面と炭素繊維−金属複合材と窒化ケイ素界面でのボイド率が大きくなり、これにより熱抵抗が増大したものである。
比較例No.55では、実施例No.2の炭素繊維−金属複合材の表面層に形成されるCu層を25μmとして評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が0.15℃/W 超となった。これは、表面層のCu層が25μmと厚くCu層により熱抵抗が増大したものと考えられる。
比較例No.56,57では、実施例No.2の素子下接合層の熱伝導率をそれぞれ30,60W/m.Kとして評価した結果、ともに熱抵抗が0.15℃/W超となった。
比較例No.58では、実施例No.2の素子下接合層として、熱伝導率が420W/m.KのAgシートを用いたものであるが、この場合、熱抵抗および冷熱サイクル特性に優れるが、製品として必要な量産性に欠如する不具合がある。
比較例No.59,60は、冷却ジャケットの冷却水量が5L/min 未満であり、冷却不足のため熱抵抗が0.15℃/W超となった。
比較例No.61は、冷却ジャケットの冷却水の圧力が5kPa未満であり、冷却不足のため熱抵抗が0.15℃/W超となった。
比較例No.62は、冷却ジャケットの冷却水の圧力が50kPa超であり、冷却水漏れを誘起するため半導体モジュールとしての機能を成さなかった。
以上の結果から、炭素繊維−金属複合材のZ方向の熱伝導率が400W/m.K 以上であることが好ましい。また、炭素繊維−金属複合材の表面層の材質としてCu,Niを使用することができ、その厚さとしては0.5〜20μm が好ましい。また、素子下接合層の熱伝導率は80〜400W/m.K とすることが好ましい。また、冷却ジャケットは搬水ポンプにより水量:5L/min 以上,圧力:5〜50kPaの範囲で制御することが好ましい。
続いて、本発明のパワー半導体モジュールを搭載した車載用インバータ装置について説明する。
図9は、本発明の実施形態によるパワー半導体モジュールを使用した電力変換装置INVを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。
本実施形態のHEVは、前輪FRW,FLW、後輪RPW,RLW、前輪車軸FDS,後輪車軸RDS,デファレンシャルギアDEF,変速機T/M,エンジンENG,電動機MG1,MG2,電力変換装置INV,バッテリBAT,エンジン制御装置ECU,変速機制御装置TCU,電動機制御装置MCU,バッテリ制御装置BCU,車載用ローカルエリアネットワークLANを備える。
本実施例では、駆動力は、エンジンENGと2つの電動機MG1,MG2で発生し、変速機T/M,デファレンシャルギアDEF,前輪車軸FDSを通じて前輪FRW,FLWに伝わる。
変速機T/Mは、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。
デファレンシャルギアDEFは、カーブなどで左右の車輪FRW,FLWに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。
エンジンENGは、インジェクタ,スロットバルブ,点火装置,吸排気バルブ(いずれも図示省略)などの複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジンENGの気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットバルブは、エンジンENGの気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジンENGの気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジンENGの気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。
電動機MG1,MG2は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機である。
尚、電動機MG1,MG2としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよい。
電動機MG1,MG2は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。
回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、もしくは、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。
固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子に生じるトルクにより電動機MG1,MG2を回転させることができる。
電力変換装置INVは、パワー半導体のスイッチングにより、電動機MG1,MG2の電力を制御するものである。簡単に言えば、高圧バッテリBATの直流源を、電動機MG1,MG2に繋いだり(オン),切ったり(オフ)することで、電動機MG1,MG2を制御する。本実施例では、電動機MG1,MG2が三相交流モータであるので、スイッチング(オン,オフ)の時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、電動機MG1,MG2の駆動力を制御する(PWM制御)。
電力変換装置INVは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールCM,スイッチングするパワーモジュールPMU,パワーモジュールのスイッチングを駆動回路装置DCU及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める電動機制御装置MCUから構成する。
本実施形態の電力変換装置INVは、放熱性に優れるパワー半導体モジュールの搭載により高信頼性を有するものとなる。
以上で説明した本実施形態によれば、低熱抵抗を維持した上に素子搭載数を低減することにより実装スペースを省力化したパワーモジュール、ひいてはインバータ装置INVのさらなる小型化を実現できる。これによって、小型化で信頼性の高いハイブリッド電気自動車の電動機駆動システムを低価格で提供できる。
本発明の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の熱伝導率および厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子下接合層の熱伝導率とこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層の厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および温度サイクル寿命の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。 本発明の実施形態による電力変換装置INVを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。 従来の半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。
符号の説明
1 半導体素子
2 金属回路板
3 素子下接合層
4 ろう材層
5 炭素繊維−金属複合材
6 表面層
7 窒化ケイ素絶縁基板
8 放熱板
11 半導体モジュール
12 配線パッド
13 主回路端子
14 制御端子
15 PPS製樹脂ケース
16 金属ワイヤ
17 絶縁ゲル
18 冷却ジャケット
19 冷却水流路
20 防漏水シール
21 締結ボルト
22 放熱グリース

Claims (13)

  1. 窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたCu又はCu合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたCu又はCu合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、
    前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とCu又はCu合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が400W/m.K以上であることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項1において、前記金属回路板と半導体素子が、Ag粉末又はAgシート接合材により接合されており、接合層の熱伝導率が80W/m.K以上400W/m.K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1において、前記炭素繊維−金属複合材の厚さが0.2〜5mmの範囲であることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項1において、前記炭素繊維−金属複合材の表面にNiあるいはCuの表面層を有し、前記表面層の厚さが、0.5μm〜20μmであることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項1において、前記炭素繊維−金属複合材と前記金属回路板とが、Ag−Cu−In系のろう材で接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項1において、前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板、及び、前記窒化ケイ素基板と前記放熱ベースが、Ag−Cu−In−Ti系のろう材で接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項1において、飽和熱抵抗値(Rj−w)が0.15℃/W 以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 請求項1において、前記放熱板の直下に冷却水を接触させる直接冷却構造を備え、前記冷却水の水量が5L/min以上〜15L/min、水圧が5kPa〜50kPaの範囲にあることを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項1において、前記半導体素子の動作電流が300A以上、動作電圧が300V以上であることを特徴とする半導体モジュール。
  10. 請求項1に記載の半導体モジュールを用いたことを特徴とする車載インバータ装置。
  11. 窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に炭素繊維−金属複合材を介して接合されたCu又はCu合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたCu又はCu合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールの製造方法であって、
    前記金属回路板と前記炭素繊維−金属複合材との間にAg−Cu−In系のろう材層を配置する工程と、
    前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板との間、及び、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記放熱板との間にAg−Cu−In−Ti系のろう材層を配置する工程と、
    前記金属回路板,炭素繊維−金属複合材,窒化ケイ素絶縁基板、及び、放熱板を一括接合する工程とを有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  12. 請求項11において、前記炭素繊維−金属複合材が炭素繊維とCu又はCu合金からなり、炭素繊維配向方向の熱伝導率が400W/m.K 以上であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  13. 請求項11において、前記接合工程の接合温度が600℃〜800℃であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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