JP2009088386A - パワーモジュール - Google Patents

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Masao Saito
拓一 大塚
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ローム株式会社
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Abstract

【課題】大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供する。
【解決手段】ソース電極10sが形成された第1の主面11、及びその第1の主面11に対向し、ドレイン電極10dが形成された第2の主面12を有するスイッチング素子10と、スイッチング素子10の第1の主面11上に配置された上面接合材41と、上面接合材41上に配置された上部冷却板50と、スイッチング素子10、上面接合材41及び上部冷却板50を覆う封止膜30とを備え、上部冷却板50の端部を封止膜30の外部に露出させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールに係り、特に半導体素子が基板上に搭載されたパワーモジュールに関する。

パワーモジュールは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等のスイッチング素子をスイッチングさせることによって、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換し、交流モータ等を駆動する。特に、スイッチング素子の制御回路が一体化されたパワーモジュールをインテリジェント・パワーモジュール(IPM)という。

IGBT等は発熱量が大きいため、パワーモジュールでは素子の放熱が問題となる。そのため、発生した熱を放出する放熱板等の冷却機構を配置する等の、パワーモジュールを冷却する対策が採られている(例えば特許文献1参照。)。
特開2005−142228号公報

しかしながら、パワーモジュールを構成する素子の表面はゲル等で断熱されているため、基板に接する素子の裏面のみから素子の発生する熱を放出する必要があった。つまり、最も熱が発生する素子の表面から放熱させることができず、基板に大型の冷却機構を設置して放熱していた。そのため、パワーモジュールを小型化することが困難であるという問題があった。

上記問題点を鑑み、本発明は、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、(イ)第1の主電極が形成された第1の主面、及びその第1の主面に対向し、第2の主電極が形成された第2の主面を有する半導体素子と、(ロ)半導体素子の第1の主面上に配置された上面接合材と、(ハ)上面接合材上に配置された上部冷却板と、(ニ)半導体素子、上面接合材及び上部冷却板を覆う封止膜とを備え、上部冷却板の端部を封止膜の外部に露出させたパワーモジュールが提供される。

本発明によれば、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部品の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す第1及び第2の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るパワーモジュールは、図1に示すように、第1の主電極(ソース電極10s)が形成された第1の主面11、及びその第1の主面11に対向し、第2の主電極(ドレイン電極10d)が形成された第2の主面12を有するスイッチング素子10と、第1の主電極(アノード電極20a)が形成された第1の主面21、及びその第1の主面21に対向し、第2の主電極(カソード電極20k)が形成された第2の主面22を有する転流ダイオード20を備える。このパワーモジュールは、スイッチング素子10の第1の主面11上及び転流ダイオード20の第1の主面21上にそれぞれ配置された上面接合材41、42と、上面接合材41、42上に配置された上部冷却板50と、スイッチング素子10、転流ダイオード20、上面接合材41、42及び上部冷却板50を覆う封止膜30とを備え、上部冷却板50の端部は封止膜30の外部に露出する。図1では、封止膜30を透過して基板60、スイッチング素子10と転流ダイオード20等の基板60上に配置された素子、及び上部冷却板50等を示している。

また、図1に示したパワーモジュールは、第1の基板主面61、及び第1の基板主面61に対向する第2の基板主面62を有する基板60を更に備える。スイッチング素子10の第2の主面12及び転流ダイオード20の第2の主面22がそれぞれ第1の基板主面61に接して、スイッチング素子10及び転流ダイオード20が基板60上に配置される。

図2に、図1に側面図を示したパワーモジュールの上面図を示す。図2では、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の各電極は図示を省略している。

図1は、スイッチング素子10が、ソース電極10s及びゲート電極10gが第1の主面11に形成され、ドレイン電極10dが第2の主面12に形成されたnpn型IGBTである例を示している。IGBT以外にも、第1の主面11に配置された第1の主電極と第2の主面12に配置された第2の主電極間に流れる主電流を制御電極によって制御可能な素子、例えばMOS電界効果トランジスタ(FET)等が、スイッチング素子10に採用可能である。スイッチング素子10及び転流ダイオード20は、第1及び第2の主面のそれぞれで熱が発生する素子である。

スイッチング素子10及び転流ダイオード20の材料には、シリコン(Si)やシリコンカーバイト(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、ダイヤモンド等が採用可能である。スイッチング損失や電力損失を抑制するために、SiCやGaNが好ましい。また、SiCやGaNを採用すると300℃程度まで動作可能であるため、出力を高くするために基板温度が200℃程度まで上昇する場合等に好ましい。更に、GaNを採用することにより、高周波での駆動が可能になる。また、基板60にアルミニウム(Al)/AlN/Alの積層構造を有するDBA(ダイレクト・ブレイズド・アルミニウム)基板等のAlNを含む基板を採用した場合には、基板60上に配置する素子にAlNを採用することによって素子と基板の熱膨張係数が同等となり、熱応力の発生による素子破壊の問題も回避できる。更に、AlNはSiCやGaNに比べて絶縁破壊係数が大きいため、基板60上に配置する素子にAlNを採用することにより耐圧を向上することができる。ダイヤモンドは上記の材料の物性値をすべて超えており、ダイヤモンドを採用することによってパワーモジュールの小型化を実現し、電力損失やスイッチング損失を大幅に低減できる。

基板60には、アルミナ(Al23)やAlN、窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO2)等が採用可能であり、第1の基板主面61上にはメタルパターンが形成されている(図示略)。例えば、メタルパターンにAlを採用したDBA基板、或いはメタルパターンに銅(Cu)を採用したDBC(ダイレクト・ボンディング・カッパ)基板等の熱伝導性絶縁基板が、基板60に採用可能である。なお、裏面に熱伝導率の高いAl板或いはCu板を半田等で貼り付け、その一部を封止膜30の外部に露出させることにより、基板60の放熱性を高めることができる。

スイッチング素子10及び転流ダイオード20の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、基板60上に形成されたメタルパターンと電気的に接続され、パワーモジュールを構成する。具体的には、スイッチング素子10のドレイン電極10d及び転流ダイオード20のカソード電極20kはメタルパターンに半田付け等により直接接続され、スイッチング素子10のソース電極10sとゲート電極10g及び転流ダイオード20のアノード電極20aは、図示を省略するボンディングワイヤによってメタルパターンに接続される。或いは、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の各電極は、ボンディングワイヤ等によって、パワーモジュールが格納されるケース内の配線パターンと接続する。

封止膜30は、物理的な衝撃や周囲の空気中の放電による破壊からパワーモジュールに搭載される素子を保護するために、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の周囲を覆うように形成される。図1に示した例では、基板60の上面が封止膜30に覆われ、基板60の側面及び裏面は露出している。封止膜30には、例えばレジン等が採用可能である。

上面接合材41、42は、熱伝導率の高い絶縁性の接合材であり、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。具体的には、絶縁性のセラミックを主成分とし、最高稼動温度が260℃程度、熱伝導率が4〜5W/mK程度のエポキシ接着剤(グリース)等が採用可能である。なお、上面接合材41、42は、例えば半田等を用いてスイッチング素子10、転流ダイオード20に接続してもよい。

上部冷却板50は、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が200W/mK程度以上の材料が採用可能である。具体的には、熱伝導率が240W/mK程度のAlや370W/mK程度のCu等を使用できる。

上部冷却板50は、異方性の熱伝導特性を有することがより好ましい。具体的には、スイッチング素子10の第1の主面11や転流ダイオード20の第1の主面21と平行な方向(以下において、単に「平行方向」という。)の熱伝導率が、平行方向と異なる他の方向の熱伝導率より大きいことが、スイッチング素子10や転流ダイオード20の放熱の点から好ましい。つまり、スイッチング素子10の第1の主面11や転流ダイオード20の第1の主面21からそれぞれ上面接合材41、42を介して上部冷却板50に伝達された熱が、上部冷却板50を主に平行方向に伝播し、封止膜30の外部に露出した部分に伝達される。その結果、スイッチング素子10や転流ダイオード20で発生した熱が、効率よく封止膜30の外部に伝播される。

異方性の熱伝導特性を有する材料は、例えば、熱伝導率が高い炭素繊維(CF)や特殊炭素繊維(VGCF)と高熱伝導率金属(例えばAl等)を複合化させた複合材料(例えば、Al/CF、Al/CF/VGCF等)である。これらの複合材料は、炭素繊維の繊維方向の熱伝導率が700W/mK程度であるのに対して、他の方向の熱伝導率は20〜50W/mK程度である。

なお、封止膜30の外部に露出した熱が伝達される上部冷却板50の端部は、自然冷却しても良い。或いは、例えばパワーモジュールを搭載したケースに冷却装置を取り付けて、ファンによる空冷或いは水冷等によって強制的に冷却してもよい。

図1に示したパワーモジュールに含まれる素子(スイッチング素子10及び転流ダイオード20)と上面接合材41、42が接合され、更に上面接合材41、42が上部冷却板50と接合された状態で、基板60がケースに実装される。そして、ケースの配線パターンと素子間との接続等の必要なワイヤボンディングを行った後、封止膜30により封止される。

図1に示したパワーモジュールを使用する回路例を図3に示す。図3に示したパワーモジュールは3相PWM(パルス幅変調)インバータよりなる電力変換回路であり、高圧直流電源線であるP電源線201と低圧直流電源線であるN電源線202を備え、P電源線201とN電源線202間にそれぞれ配置されたU相出力部110、V相出力部120及びW相出力部130を有する。U相出力部110、V相出力部120及びW相出力部130は、高圧側ユニット101と低圧側ユニット102をそれぞれ有する。

高圧側ユニット101と低圧側ユニット102は同一の構成であり、図1に示したスイッチング素子10と転流ダイオード20が並列接続された構成である。高圧側ユニット101に含まれるスイッチング素子10のドレイン電極10dと転流ダイオード20のカソード電極20kは、P電源線201に接続される。高圧側ユニット101に含まれるスイッチング素子10のソース電極10sと転流ダイオード20のアノード電極20aは、低圧側ユニット102に含まれるスイッチング素子10のドレイン電極10dと転流ダイオード20のカソード電極20kとの接続点に接続される。低圧側ユニット102に含まれるスイッチング素子10のソース電極10sと転流ダイオード20のアノード電極20aは、N電源線202に接続される。

また、高圧側ユニット101及び低圧側ユニット102に含まれるスイッチング素子10のゲート電極10gは、制御回路(ゲートドライブ回路)300に接続される。制御回路300によってスイッチング素子10の動作(オン/オフ)が制御され、P電源線201及びN電源線202から供給される直流電流が交流電流に変換される。

スイッチング素子10及び転流ダイオード20の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、基板60上に形成されたメタルパターン或いはパワーモジュールが格納されるケース内の配線パターンと電気的に接続され(不図示)、図3に示したパワーモジュールを構成する。なお、図3に示すように、U相出力部110、V相出力部120及びW相出力部130の高圧側ユニット101と低圧側ユニット102との各接続点から、U相交流出力u、V相交流出力v、及びW相交流出力wがそれぞれ出力される。U相交流出力u、V相交流出力v、及びW相交流出力wにより、例えばU相、V相及びW相の3つの相(コイル)を持ったモータの各相に位相の異なる交流電流を流すことによって、モータが回転する。

上部冷却板50が無い場合、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の上面に発生する熱は、封止膜30の外部への放出が困難である。しかし、図1に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子10の第1の主面11及び転流ダイオード20の第1の主面21に発生した熱が、上面接合材41、42及び上部冷却板50を伝播して封止膜30の外部に放出される。つまり、図1に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の上面からの放熱が可能である。図1に示したように、パワーモジュールに含まれる素子(スイッチング素子10、転流ダイオード20)の上面(第1の主面11、21)には、下面(第2の主面12、22)と異なりメタルパターンと接していない。そのため、素子の下面から放熱する場合よりも効率的に放熱できる。

以上に説明したように、本発明の第1の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールが有する素子が上面と下面の両方から熱を発生する場合に特に効果的に放熱できる。その結果、図1に示したパワーモジュールによれば、パワーモジュールが効率よく冷却されるために大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。

また、図1に示したパワーモジュールでは第1の基板主面61と平行な方向に熱が伝播する。そのため、複数のパワーモジュールを第1の基板主面61の面法線方向に積層して配置する場合に、パワーモジュールから発生する熱がその上下方向に配置された他のパワーモジュールに伝わらない。その結果、縦積みした複数のパワーモジュールの放熱を効率よく行うことができ、更に、パワーモジュールの間隔を狭くして小型化できる。

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るパワーモジュールは、図4に示すように、スイッチング素子10及び転流ダイオード20と基板60の間に下面接合材71、72が配置され、更に、基板60の下に下部冷却板80が配置されていることが図1に示したパワーモジュールと異なる点である。即ち、下面接合材71は、スイッチング素子10の第2の主面12と基板60の第1の基板主面61に接して配置される。下面接合材72は、転流ダイオード20の第2の主面22と基板60の第1の基板主面61に接して配置される。更に、基板60の第2の基板主面62に接して下部冷却板80が配置されている。下部冷却板80は封止膜30の外部に露出している。その他の構成については、図1に示す第1の実施の形態と同様である。

図4に示したパワーモジュールでは、パワーモジュールに含まれる半導体素子(スイッチング素子10、転流ダイオード20)の上面からだけでなく、半導体素子の下面からも下部冷却板80を介して封止膜30の外部に半導体素子で発生した熱を放出できる。下部冷却板80は熱伝導率の高いAl板等が採用可能であるが、上部冷却板50と同様に、平行方向の熱伝導率が他の方向の熱伝導率より大きい異方性の熱伝導特性を有することが、半導体素子の放熱の点から好ましい。

また、下面接合材71、72には、上面接合材41、42と同様に、熱伝導率の高い絶縁性の接合材、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。この場合、スイッチング素子10のドレイン電極10d及び転流ダイオード20のカソード電極20kと基板60の第1の基板主面61上に形成されたメタルパターンとの電気的な接続を維持する必要がある。例えば、スイッチング素子10及び転流ダイオード20と基板60とを接続する半田で周囲を囲むようにして、下面接合材71、72を半田中に埋め込む。或いは、上面接合材41、42に、熱伝導率の高い導電性の接合材を採用してもよい。

なお、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の下面から効率的に熱を下部冷却板80に伝播するために、基板60に熱伝導率の高い材料を採用することが好ましい。

図4に示したパワーモジュールによれば、スイッチング素子10の第1の主面11及び転流ダイオード20の第1の主面21に発生した熱が、上面接合材41、42及び上部冷却板50を伝播して封止膜30の外部に放出される。同時に、スイッチング素子10の第2の主面12及び転流ダイオード20の第2の主面22に発生した熱が、下面接合材71、72、基板60及び下部冷却板80を伝播して封止膜30の外部に放出される。つまり、図4に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子10及び転流ダイオード20の表面と裏面の両方からの効率的な放熱が可能である。

以上に説明したように、本発明の第2の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールに含まれる素子の表面及び裏面からの放熱が可能なため、大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた第1及び第2の実施の形態の説明においては、パワーモジュールが3相PWMインバータよりなる電力変換回路である例を示したが、2相或いは4相以上の交流電流を出力するパワーモジュールであってよい。また、パワーモジュールがスイッチング素子10及び転流ダイオード20を有する例を示したが、他の素子を含んでもよいことは勿論である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第1の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。 本発明の第1の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な上面図である。 本発明の第1の実施の形態に係るパワーモジュールを用いた回路構成例を示す回路図である。 本発明の第2の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。

符号の説明

10…スイッチング素子
10d…ドレイン電極
10g…ゲート電極
10s…ソース電極
11…第1の主面
12…第2の主面
20…転流ダイオード
20a…アノード電極
20k…カソード電極
21…第1の主面
22…第2の主面
30…封止膜
41、42…上面接合材
50…上部冷却板
60…基板
61…第1の基板主面
62…第2の基板主面
71、72…下面接合材
80…下部冷却板
101…高圧側ユニット
102…低圧側ユニット
110…U相出力部
120…V相出力部
130…W相出力部
201…P電源線
202…N電源線
300…制御回路

Claims (5)

  1. 第1の主電極が形成された第1の主面、及び該第1の主面に対向し、第2の主電極が形成された第2の主面を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記第1の主面上に配置された上面接合材と、
    前記上面接合材上に配置された上部冷却板と、
    前記半導体素子、前記上面接合材及び上部冷却板を覆う封止膜
    とを備え、前記上部冷却板の端部を前記封止膜の外部に露出させたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 第1の基板主面、及び該第1の基板主面に対向する第2の基板主面を有する基板と、
    前記半導体素子の前記第2の主面と前記第1の基板主面間に配置された下面接合材と、
    前記第2の基板主面に接し、端部が前記封止膜の外部に露出する下部冷却板
    とを更に備え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. 前記上部冷却板及び前記下部冷却板の少なくともいずれかが、前記第1の主面と平行方向の熱伝導率が該平行方向と異なる方向の熱伝導率より大きい異方性の熱伝導特性を有す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. 前記半導体素子が、前記第1の主電極をソース電極とし、前記第2の主電極をドレイン電極とするスイッチング素子であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記上面接合材が、絶縁性の接着剤であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
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