JP2009117701A - Power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュールに関し、特に、平面上に所定の間隔を有して隣接して配置された複数のパワー素子を有するパワーモジュールに関する。 The present invention relates to a power module, and more particularly, to a power module having a plurality of power elements arranged adjacent to each other with a predetermined interval on a plane.
従来から、半導体チップであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)とFWD(Free-Wheeling Diode、環流ダイオード)が近接して並ぶように絶縁基板上の配線パターンにマウントされるとともに、IGBTとFWDの双方にまたがってその上面の主電極面に通電導体兼用のヒートパイプを重ね、半田付けなどにより電気的及び伝熱的に接合し、IGBT及びFWDに発生した熱を、ヒートパイプを介して絶縁基板の配線パターンに放熱し、冷却効果を高めるようにした技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述の特許文献1に記載の構成では、熱の伝搬に作動液を封入したヒートパイプを使用しているため、蒸発/凝縮サイクルが必要となり、瞬間的に大電流が流れた場合には、熱の伝搬に時間差ができて遅れを生じてしまうという問題があった。 However, in the configuration described in Patent Document 1 described above, since a heat pipe enclosing a working fluid is used for heat propagation, an evaporation / condensation cycle is required, and when a large current flows instantaneously There is a problem that a time difference is caused in the propagation of heat, resulting in a delay.
また、ヒートパイプを用いて十分に熱が放熱できた場合にはよいが、ヒートパイプによる熱輸送が不十分であった場合には、絶縁基板、ヒートパイプ、半導体チップの熱膨張係数の差により、ヒートサイクルに起因する熱応力が生じ、接合部分である半田付けの部分にクラック等の接合破壊が生じるという問題があった。 In addition, it is good if the heat can be sufficiently dissipated using the heat pipe, but if the heat transport by the heat pipe is insufficient, the heat expansion coefficient of the insulating substrate, heat pipe, semiconductor chip There has been a problem that thermal stress due to the heat cycle is generated, and a joint failure such as a crack occurs in a soldered portion which is a joint portion.
更に、ヒートパイプに亀裂が生じて作動液が漏れた場合には、パワー素子を破損してしまうおそれがあるので、信頼性の点でも問題があった。 Furthermore, when the heat pipe cracks and the hydraulic fluid leaks, the power element may be damaged, and there is a problem in terms of reliability.
そこで、本発明は、放熱が迅速であり、ヒートサイクルに起因する熱応力が半田接合の部分に生じても、熱応力を吸収して接合破損が生じないパワーモジュールを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a power module in which heat dissipation is quick and heat damage is generated in a soldered joint due to heat cycles so that the thermal stress is absorbed and no joint breakage occurs. .
上記目的を達成するため、第1の発明に係るパワーモジュールは、平面上に所定の間隔を有して隣接して配置された複数のパワー素子を有するパワーモジュールであって、
前記複数のパワー素子の双方に跨って配置され、前記複数のパワー素子の双方に半田接合された電極を有し、
該電極は、その一部に導電性弾性体を含むことを特徴とする。
To achieve the above object, a power module according to a first aspect of the present invention is a power module having a plurality of power elements arranged adjacent to each other at a predetermined interval on a plane,
It is disposed across both of the plurality of power elements, and has electrodes soldered to both of the plurality of power elements,
The electrode includes a conductive elastic body in a part thereof.
これにより、電極と半導体素子の熱膨張係数の相違により熱応力が加わった場合でも、導電性弾性体の部分で熱応力を吸収し、半田の接合破壊を防止することができる。また、導電性弾性体は、電極の一部にのみ設けられているので、電極の導電性を低下させることなく熱応力の吸収が可能となる。 Thereby, even when a thermal stress is applied due to a difference in thermal expansion coefficient between the electrode and the semiconductor element, the thermal stress is absorbed by the conductive elastic body portion, and solder joint breakage can be prevented. Further, since the conductive elastic body is provided only on a part of the electrode, it is possible to absorb thermal stress without reducing the conductivity of the electrode.
第2の発明は、第1の発明に係るパワーモジュールにおいて、
前記導電性弾性体は、半田接合されていない領域に設けられていることを特徴とする。
2nd invention is the power module which concerns on 1st invention,
The conductive elastic body is provided in a region not soldered.
これにより、ヒートサイクルにより電極が変形しても、最もパワー素子に負担の少ない領域で熱応力を吸収することができ、パワー素子への熱応力の影響を最小限とすることができる。また、半田付けは、通常の金属の電極部分について行われるので、半田付け工程も容易に行うことができる。 Thereby, even if the electrode is deformed by the heat cycle, it is possible to absorb the thermal stress in a region where the load on the power element is the smallest, and the influence of the thermal stress on the power element can be minimized. Further, since soldering is performed on a normal metal electrode portion, the soldering process can be easily performed.
第3の発明は、第1又は第2の発明に係るパワーモジュールにおいて、
前記電極は、前記複数のパワー素子の上面に配置されていることを特徴とする。
3rd invention is the power module which concerns on 1st or 2nd invention,
The electrodes are arranged on upper surfaces of the plurality of power elements.
これにより、電極の上方はフリーとなるので、熱応力を効果的に逃がすことができる。 Thereby, since the upper part of the electrode is free, thermal stress can be effectively released.
第4の発明は、第1〜3のいずれか一つの発明に係るパワーモジュールにおいて、
前記導電性弾性体は、導電性ゴムであることを特徴とする。
A fourth invention is the power module according to any one of the first to third inventions,
The conductive elastic body is a conductive rubber.
これにより、導電性弾性体の部分で熱応力を効果的に吸収することができる。 Thereby, a thermal stress can be effectively absorbed in the part of a conductive elastic body.
第5の発明は、第1〜4のいずれか一つの発明に係るパワーモジュールにおいて、
前記電極の半田接合されている領域は、銅で構成されていることを特徴とする。
A fifth invention is the power module according to any one of the first to fourth inventions,
The region where the electrode is solder-bonded is made of copper.
これにより、熱膨張係数のパワー素子との差が大きいが、熱伝導性が高く、放熱性の高い金属材料を電極に用いることが可能となり、冷却効果を高めることができる。 Thereby, although the difference with the power element of a thermal expansion coefficient is large, it becomes possible to use a metal material with high heat conductivity and high heat dissipation for an electrode, and can improve a cooling effect.
第6の発明は、第1〜5のいずれか一つの発明に係るパワーモジュールにおいて、
前記複数のパワー素子は、一方が絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、他方がダイオードの組み合わせを含むことを特徴とする。
A sixth invention is the power module according to any one of the first to fifth inventions,
One of the plurality of power elements is an insulated gate bipolar transistor, and the other includes a combination of diodes.
これにより、電力変換用のインバータにおいて、熱応力を効果的に吸収し、半田接合部分の破壊を防止することができる。 Thereby, in the inverter for power conversion, a thermal stress can be absorbed effectively and destruction of a solder joint part can be prevented.
本発明によれば、パワーモジュールの熱応力による接合破壊を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the joint failure due to the thermal stress of the power module.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用した実施例に係るパワーモジュールの適用対象の一例となるインバータ回路を示した図である。図1において、インバータ回路は、6個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)10と、各々のコレクタ−エミッタ間に並列に接続された6個のFWD(Free-Wheeling Diode、環流ダイオード、以下「ダイオード」という)20とを、パワー素子として備える。 FIG. 1 is a diagram illustrating an inverter circuit as an example of an application target of a power module according to an embodiment to which the present invention is applied. In FIG. 1, the inverter circuit includes six IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) 10 and six FWDs (Free-Wheeling Diodes) connected in parallel between the collector and the emitter. , Hereinafter referred to as “diodes”) 20 as power elements.
図1において、インバータ回路は、1個のIGBT10と、これに並列に接続された1個のダイオード20同士が1つの組をなし、6つのIGBT10とダイオード20のパワー素子同士の組を備える。6つのパワー素子の組のうち、2つのパワー素子の組同士が直列接続されており、それぞれの直列接続点が、U出力、V出力及びW出力を構成し、三相インバータ回路の出力を構成している。直列接続は、一方の高電位側のIGBT10のエミッタと、他方の低電位側のIGBT10のコレクタが接続されて構成されており、高電位側のIGBT10のコレクタは、高電位側のPライン91に接続されている。同様に、低電位側のIGBT10のエミッタは、低電位側のNライン92に接続されている。かかるインバータ回路により、Pライン91及びNライン92に印加された直流電力を三相交流電力に電力変換して出力し、ACモータ等を駆動することができる。
In FIG. 1, the inverter circuit includes one
本実施例に係るパワーモジュールは、例えば、図1に示したような、複数のパワー素子10、20を有するインバータ回路に好適に適用することができる。本実施例においては、以下、インバータ回路にパワーモジュールを適用した例を挙げて説明するが、複数のパワー素子を有するパワーモジュールであれば、種々の用途に適用することができる。
The power module according to the present embodiment can be suitably applied to, for example, an inverter circuit having a plurality of
図2は、本発明を適用した実施例1に係るパワーモジュールの側面図である。図2において、実施例1に係るパワーモジュールは、パワー素子であるIGBT10及びダイオード20と、放熱板としての機能も有する上側の電極30と、同様に放熱板としての機能も有する下側の電極40と、絶縁材料で構成された絶縁基板50と、冷却器60と、各素子又は部品を半田接合している半田70と、全体を封止している封止材80とを有する。そして、上側の電極30は、その一部に導電性弾性材32を含んでいる。
FIG. 2 is a side view of the power module according to the first embodiment to which the present invention is applied. In FIG. 2, the power module according to the first embodiment includes the
なお、図2においては、IGBT10とダイオード20からなる複数のパワー素子10、20が1組のみ示されているが、例えば、図1に示したように6組のIGBT10とダイオード20の組み合わせがあれば、図2と同様な構成を平面上に6つ備えていてよい。この点は、他の実施例についても同様である。
In FIG. 2, only one set of the plurality of
IGBT10及びダイオード20は、各々パワー素子として機能する半導体素子であり、半導体基板上に形成された半導体チップとして構成される。図1において説明したインバータ回路においては、IGBT10は、スイッチング素子としての役割を果たす。また、ダイオード20は、モータの駆動用コイル(図示せず)により生じた逆起電力による電流を逃がす環流ダイオードとしての役割を果たす。図1において、IGBT10とダイオード20は、回路的に並列接続されて1つの組をなしていたが、図2に示すように、IGBT10とダイオード20は、物理的にも、平面状の電極40上に所定の間隔を有して隣接して配置される。このような隣接配置とすることにより、パワーモジュールに要する面積を小さくするとともに、IGBT10とダイオード20間の接続抵抗を小さくすることができる。
The IGBT 10 and the
電極40は、パワー素子であるIGBT10及びダイオード20の下側に配置され、下部電極を構成する。電極40は、IGBT10及びダイオード20の下側の引き出し電極であるとともに、放熱板としての役割も果たす。一般的には、IGBT10のコレクタが下側に配置され、コレクタの引き出し電極として電極40は配置されるが、IGBT10のエミッタが下側に配置され、この引き出し電極40として配置されてもよい。ダイオード20は、IGBT10の配置の向きに適合してn型拡散層又はp型拡散層が下側になるように配置され、電極40は、ダイオード20の引き出し電極としての役割も共通して果たす。
The electrode 40 is disposed below the
電極40は、配線用の金属であれば、種々の材料が適用されてよいが、例えば、銅が適用されてもよい。銅は、熱伝導性及び導電性がアルミニウムよりも高く、配線材料としても、放熱材料としても、アルミニウムより好ましい特性を有している。しかしながら、半導体素子であるパワー素子10、20との熱膨張係数の差が、アルミニウムと比して大きいため、ヒートサイクルにより変形が生じた場合に、半田接合の部分に熱応力がかかり、接合破壊を招き易いという問題があった。後に上部の電極30について詳説するが、本実施例に係るパワーモジュールにおいては、電極30により熱応力による半田接合部分の破壊が起こり難い構成となっているので、電極40に銅を用いることができる。なお、銅の場合は、銅合金であってもよく、純粋な銅(Cu)の他、CuMo、CuC等が適宜用途に応じて適用されてよい。このように、電極40は、用途に応じて、銅、アルミニウム等の種々の配線用金属材料を適用することができる。
As long as the electrode 40 is a metal for wiring, various materials may be applied. For example, copper may be applied. Copper has higher thermal conductivity and conductivity than aluminum, and has preferable characteristics over aluminum as a wiring material and a heat dissipation material. However, since the difference in coefficient of thermal expansion from the
電極40は、その上面は、半田70により、パワー素子のIGBT10及びダイオード20と半田接合され、下からパワー素子10、20を支持する。また、電極40の下面は、半田70により、下に配置された絶縁基板50に半田接合され、絶縁基板50により下から支持される。
The upper surface of the electrode 40 is solder-bonded to the
絶縁基板50は、絶縁材料で構成された基板であり、電極40と冷却器60に用いられている金属との絶縁を図るとともに、パワー素子10、20及び電極30、40を下から支持している。絶縁基板50は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、エポキシ樹脂、Si3N4(窒化ケイ素)等の材料や、セラミックス基板の一種であるDBA基板等が適用されてよい。
The insulating substrate 50 is a substrate made of an insulating material, and insulates the electrode 40 from the metal used in the cooler 60 and supports the
冷却器60は、下から絶縁基板50を支持するとともに、水冷により絶縁基板50から放出された熱を冷却する手段である。冷却器60は、ベース部61と、フィン62とを有し、ベース部61の内部に水を循環させて冷却し、フィン62によりその放熱効率を高める構成となっている。かかる冷却器60を設けることにより、パワー素子10、20の発熱の下側からの放熱効率を高めることができる。なお、冷却器60は、銅、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属等で構成されてよく、冷却器60と絶縁基板50との接合は、半田70による半田接合でなされてよい。
The cooler 60 is means for supporting the insulating substrate 50 from below and cooling the heat released from the insulating substrate 50 by water cooling. The cooler 60 includes a
電極30は、パワー素子10、20の上側に配置され、上部電極を構成する。電極30は、パワー素子10、20の引き出し電極を構成するとともに、放熱板としての機能も果たす。IGBT10は、一般的には、エミッタが上側に配置されるので、この場合には、電極30は、エミッタの引き出し電極となる。一方、逆配置でコレクタが上側に配置される場合もあり、この場合には、電極30は、コレクタの引き出し電極となる。また、電極30は、IGBT10に並列に接続されたダイオード20についても、IGBT10の配置の向きに応じて、p型拡散層又はn型拡散層の共通引き出し電極となる。このように、パワー素子10、20の上部電極である電極30は、パワー素子であるIGBT10とダイオード20の双方に跨った共通の電極を構成している。
The electrode 30 is disposed above the
電極30は、パワー素子10、20の上面に、半田70により半田接合されている。これにより、電気的接続及び物理的固定がなされている。
The electrode 30 is soldered to the upper surfaces of the
電極30は、その大部分は、銅やアルミニウム等の配線用金属で構成された金属部31であるが、一部に、導電性弾性体32で構成された部分を含む。図2においては、パワー素子10、20の直上の部分は金属部31として構成されるが、中央部分は、導電性弾性体32で構成されている。このように、電極30は、その一部に導電性弾性体32を含むことにより、熱応力が生じても、これを導電性弾性体で吸収することができる。
Although most of the electrode 30 is a
導電性弾性体32は、導電性を有する弾性体であり、例えば、導電性ゴムが適用される。導電性弾性体32は、弾性体でありながらも、導電性を有するので、電極30としての機能をそのまま維持することができる。 The conductive elastic body 32 is an elastic body having conductivity, and for example, conductive rubber is applied. Although the conductive elastic body 32 is an elastic body and has conductivity, the function as the electrode 30 can be maintained as it is.
電極30の金属部31は、銅やアルミニウム等の配線用金属が用途に応じて種々適用されてよいが、例えば、銅が適用されてもよい。上述のように、銅は、導電性及び熱伝導性に優れた金属材料であるので、電極30に好適に適用可能である。また、銅は、アルミニウムと比較して、その熱膨張係数が半導体素子であるパワー素子10、20と大きく異なるが、本実施例に係るパワーモジュールにおいては、熱応力を逃がす応力緩和材として導電性弾性体32が金属部31に挟まれて設けられており、電極30の金属部31に変形が生じても、これにより生じる熱応力を吸収できるので、半田70の接合破壊のおそれなく銅を使用することができる。
For the
このように、電極30の一部に導電性弾性体32を設けることにより、半田70の接合破壊を低減することができる。また、かかる構成を有することにより、電極30に放熱性の高い銅を使用することが可能となり、冷却性能自体も高めることができ、パワー素子10、20及びパワーモジュールをより小型に構成することが可能となる。
As described above, by providing the conductive elastic body 32 on a part of the electrode 30, it is possible to reduce the joint breakdown of the solder 70. Further, by having such a configuration, it is possible to use copper with high heat dissipation for the electrode 30, the cooling performance itself can be improved, and the
なお、導電性弾性体32は、パワー素子10、20と電極30が半田接合されていない、パワー素子10、20が所定の間隔を有して配置された間隔領域15の直上に設けられることが好ましい。パワー素子10、20の直上は、パワー素子10、20と電極30との確実な電気的接続と、パワー素子10、20で発生した熱を電極30により多く放熱するため、導電性及び熱伝導性の高い金属部31を配置し、半田接合により確実な接合を行うことが好ましい。一方、IGBT10とダイオード20との間隔領域15は、電極30とパワー素子10、20が半田接合されておらず、固定されていない領域である。よって、電極30の熱変形による膨張があっても、導電性弾性体32は固定的な拘束を受けることなく変形が可能であり、最もクッション効果の高い状態で応力吸収を行うことができる。
The conductive elastic body 32 may be provided immediately above the
このように、本実施例に係るパワーモジュールは、発熱源であるパワー素子10、20の直上面には、全面的に放熱効果の高い金属部31を配置して過渡熱特性を向上させ、半田接合されていない非拘束領域に導電性弾性体32を設けることにより、導電性弾性体32による応力の吸収能力を効果的に発揮させる構成となっている。
As described above, in the power module according to the present embodiment, the
また、本実施例に係るパワーモジュールにおいては、導電性弾性体32は、電極30の一部の領域にしか設けていないので、電極30としての導電性及び放熱性を低下させることなく熱応力を吸収し、半田70の接合破壊を防止することができる。 Further, in the power module according to the present embodiment, the conductive elastic body 32 is provided only in a partial region of the electrode 30, so that thermal stress can be applied without reducing the conductivity and heat dissipation as the electrode 30. It can absorb and prevent the solder 70 from being broken.
なお、導電性弾性体32は、パワー素子10、20の発熱量と、電極30の金属部31の変形量に応じて、その厚みや特性を適宜変化させて調整してよい。例えば、金属部31の変形量が大きいようであれば、導電性弾性体32をより厚くして構成するようにしてもよい。例えば、電極30の幅が30mm程度の場合に、導電性弾性体32は、0.05〜2mm程度の厚さであってよいが、これらは、金属部31のパワー素子10、20の発熱量に基づく変形量により、適宜適切な厚さのものを用いてよい。
The conductive elastic body 32 may be adjusted by appropriately changing its thickness and characteristics according to the amount of heat generated by the
また、本実施例に係るパワーモジュールにおいては、導電性弾性体32は、電極30の中央の、半田接合がなされていない部分に設けられた例を説明したが、導電性弾性体32を設ける位置は、これに限定される訳ではなく、用途に応じては、半田接合がなされた部分に設けてもよい。例えば、電極30の金属部31の変形量が、IGBT10の上部にある金属部31が特に大きい場合には、中央部に導電性弾性材32を設けるとともに、更にIGBT10の直上の部分にも導電性弾性体32を設けることも可能である。
Further, in the power module according to the present embodiment, the example in which the conductive elastic body 32 is provided in the center of the electrode 30 where solder bonding is not performed has been described. However, the position where the conductive elastic body 32 is provided. However, the present invention is not limited to this, and may be provided in a portion where solder bonding is performed depending on the application. For example, when the amount of deformation of the
封止材80は、ゲル又は樹脂を用いてパワー素子10、20等の部品を上部から封止し、これらの部品が埃により汚染されるのを防止する役割を果たす。樹脂が適用される場合は、ポッティング、トランスファーモールド等の加工により樹脂封止がなされてよいが、本実施例に係るパワーモジュールによれば、熱膨張を拘束するために樹脂封止を行ったり、モールドしたりする必要性が少なくなるので、ゲルを用いて封止してもよい。
The sealing material 80 serves to seal components such as the
このように、実施例1に係るパワーモジュールによれば、半田接合部の応力負荷を低減して接合破壊を防止することができ、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。また、熱応力耐性の高い構成であるため、熱応力設計の工数を削減することも可能となる。 As described above, according to the power module according to the first embodiment, the stress load of the solder joint portion can be reduced to prevent joint breakage, and the reliability of the power module can be improved. In addition, since the configuration has a high thermal stress resistance, it is possible to reduce the number of steps for thermal stress design.
図3は、本発明を適用した実施例2に係るパワーモジュールの側面図である。図3において、大部分の構成要素は、実施例1に係るパワーモジュールの構成要素と同様であるが、下部電極である電極40aにも、導電性弾性体42を設けた点で、実施例1に係るパワーモジュールと異なっている。 FIG. 3 is a side view of a power module according to a second embodiment to which the present invention is applied. In FIG. 3, most of the components are the same as those of the power module according to the first embodiment. However, the conductive elastic body 42 is also provided on the electrode 40a that is the lower electrode. It is different from the power module concerning.
このように、パワー素子10、20の下側に配置された電極40aにも、導電性弾性体42を設けるようにしてもよい。図3において、電極40aは、金属部41と導電性弾性体42を有し、金属部41は、パワー素子10、20の直下に配置されてパワー素子10、20と半田接合されている。また、導電性弾性体42は、パワー素子10、20の間隔領域15の直下の部分に設けられている。かかる構成により、パワー素子10、20における発熱が、電極40aに熱伝搬して金属部41が変形しても、導電性弾性体42により変形による応力を吸収し、パワー素子10、20と電極40aとの間の半田70及び電極40aと絶縁基板50との間の半田70に加わる応力負荷を軽減することができる。
As described above, the conductive elastic body 42 may be provided also on the electrode 40 a disposed below the
なお、他の構成要素については、実施例1に係るパワーモジュールと同様であるので、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。 Since the other components are the same as those of the power module according to the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
実施例2に係るパワーモジュールによれば、パワー素子10、20の上側の電極30だけでなく、下側の電極40aにも導電性弾性体42を設けたことにより、パワー素子10、20の発熱を、上下から効果的に放熱するとともに、下側の電極40aについても応力を緩和することができ、半田70の接合破壊が更に少ない、より信頼性の高いパワーモジュールとすることができる。
According to the power module according to the second embodiment, the conductive elastic body 42 is provided not only on the upper electrode 30 of the
なお、実施例2に係るパワーモジュールにおいては、上部電極である電極30と、下部電極である電極40の双方に導電性弾性体32、42が設けられた例について説明したが、用途に応じて、下側の電極40aにのみ導電性弾性体42を設けるようにしてもよい。更に、実施例2においては、所定の空間領域15の直下に導電性弾性体42を設けた例について説明したが、実施例1において説明したように、用途に応じて、他の位置に導電性弾性体32を設けるようにしてもよい。
In the power module according to the second embodiment, the example in which the conductive elastic bodies 32 and 42 are provided on both the electrode 30 that is the upper electrode and the electrode 40 that is the lower electrode has been described. The conductive elastic body 42 may be provided only on the lower electrode 40a. Furthermore, in the second embodiment, the example in which the conductive elastic body 42 is provided immediately below the predetermined
図4は、本発明を適用した実施例3に係るパワーモジュールの側面図である。図4において、実施例3に係るパワーモジュールは、パワー素子であるIGBT10及びダイオード20と、パワー素子10、20の上側に設けられた電極30aと、放熱板45と、冷却器60と、バスバー90と、ボンディング95と、封止材80とを備える。
FIG. 4 is a side view of a power module according to a third embodiment to which the present invention is applied. In FIG. 4, the power module according to the third embodiment includes a
IGBT10及びダイオード20は、パワー素子として機能する半導体素子であり、その構成及び機能については、実施例1及び実施例2と全く同様であるので、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
The
放熱板45は、パワー素子10、20で発生した熱を放熱するための手段であり、実施例1で説明した下側の電極40及び絶縁基板50の双方の役割を果たす。つまり、放熱板45は、冷却器60により下側から支持されているので、パワー素子10、20で発生した熱を熱伝搬し、冷却器60に放出する。
The heat radiating plate 45 is a means for radiating heat generated in the
放熱板45は、例えば、アルミニウム、窒化ケイ素、アルミニウムの三層積層構造で形成されたDBA基板が適用されてもよい。この場合には、上層のアルミニウムは、パワー素子10、20に対する下部電極40としての機能を有し、窒化ケイ素は、絶縁基板50としての機能を有する。なお、放熱板45とパワー素子10、20とは、半田70により半田接合されている。
For example, a DBA substrate formed of a three-layer laminated structure of aluminum, silicon nitride, and aluminum may be applied to the heat radiating plate 45. In this case, the upper aluminum layer functions as the lower electrode 40 for the
冷却器60は、ベース部61とフィン62とを有し、その構成及び機能は、実施例1及び実施例2と全く同様であるので、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
The cooler 60 includes a
電極30aは、パワー素子10、20に対する上部電極であり、IGBT10に対しては、エミッタ又はコレクタの引き出し電極としての機能を有し、ダイオード20に対しても同様に、IGBT10の配置向きに対応するp型拡散層又はn型拡散層の引き出し電極としての機能を有する。従って、電極30aは、複数のパワー素子10、20に対する共通電極であるので、複数のパワー素子10、20の双方に跨って配置されている。
The electrode 30a is an upper electrode for the
電極30aは、実施例1と同様に、金属部31aと、導電性弾性体32aとを有する。金属部31aは、銅、アルミニウム等の配線用金属が適用されてよいが、例えば、アルミニウムが適用されてもよい。アルミニウムは、銅ほど導電性及び熱伝導性は高くないが、パワー素子10、20を構成する半導体素子と熱膨張係数の差が銅ほどは大きくないので、半田70にかかる応力負荷は、銅を用いた場合よりは軽減される。しかしながら、アルミニウムの熱膨張係数は、パワー素子10、20の熱膨張係数とはやはり差があるので、パワー素子10、20の発熱量の大きさによっては、やはり電極30aとパワー素子10、20とを接合する半田70に応力負荷が加わってしまう。
The electrode 30a includes a
そこで、実施例3に係るパワーモジュールにおいても、電極30aの一部に、導電性弾性体32aを設けている。導電性弾性体32aは、実施例1と同様に、例えば導電性ゴム等が適用されてよい。かかる導電性弾性体32aを電極30aの一部に設けることにより、電極30aの金属部31aの熱膨張による変形を吸収し、半田70に加わる応力負荷を緩和し、半田70の接合破壊を確実に防止することができる。このように、電極30aの金属部31aに、パワー素子10、20との熱膨張係数の差が極端には大きくない材料の金属が適用された場合であっても、導電性弾性体32aを電極30aの一部に設けることにより、半田70の接合破壊を確実に防止し、パワーモジュールの信頼性を高めることができる。
Therefore, also in the power module according to the third embodiment, the conductive elastic body 32a is provided in a part of the electrode 30a. For example, conductive rubber may be applied to the conductive elastic body 32a as in the first embodiment. By providing the conductive elastic body 32a on a part of the electrode 30a, the deformation due to the thermal expansion of the
また、図4において、電極30aの金属部31aは、パワー素子10、20の直上の上面に配置され、半田70によりパワー素子10、20と半田接合されている。そして、導電性弾性体32aは、パワー素子10、20が平面状の放熱板45上に所定の間隔を有して配置された当該所定の間隔領域15の直上に設けられている。このように、実施例3に係るパワーモジュールおいても、金属部31aをパワー素子10、20の直上に配置して半田接合し、導電性弾性体32aを、半田接合されていない中央部分の領域に設けることにより、金属部31aにおける導電性及び熱伝導性と、導電性弾性体32aにおける可動性の双方を十分に高めた構成とすることができる。
In FIG. 4, the
なお、導電性弾性体32aの配置位置は、実施例1において説明したのと同様に、用途に応じては、半田接合されている位置としてもよいし、導電性弾性体32aを複数設けて、半田接合されていない間隔空間15の直上位置と、他の半田接合されている位置とに両方設けるようにしてもよい。
In addition, the arrangement position of the conductive elastic body 32a may be a position where the conductive elastic body 32a is solder-bonded depending on the application, as described in the first embodiment, or a plurality of the conductive elastic bodies 32a may be provided. You may make it provide both in the position directly above the
バスバー90は、電極30aに電源電位又はグランド電位を供給するための電位供給手段であり、ボンディング95により、電極30aと電気的に接続される。ボンディング95は、アルミニウム等の配線用金属材料が用いられてよい。 The bus bar 90 is a potential supply means for supplying a power supply potential or a ground potential to the electrode 30a, and is electrically connected to the electrode 30a by bonding 95. The bonding 95 may be made of a wiring metal material such as aluminum.
封止材80は、パワー素子10、20や他の部品を覆って埃の付着を防ぐ手段であり、ゲル又は種々の種類の樹脂が適用されてよい。封止材80の機能や種類等の内容は、実施例1における説明と同様であるので、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
The sealing material 80 is means for covering the
なお、実施例2においては、電極30aの金属部31aにアルミニウムを適用した例を挙げて説明したが、銅等の他の配線金属を同様に適用してもよい。
In the second embodiment, an example in which aluminum is applied to the
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
10 IGBT(パワー素子)
15 間隔領域
20 ダイオード(パワー素子)
30、30a、40 電極
31、31a、41 金属部
32、32a、42 導電性弾性体
45 放熱板
50 絶縁基板
60 冷却器
61 ベース部
62 フィン
70 半田
80 封止材
90 バスバー
95 ボンディング
10 IGBT (Power element)
15
30, 30a, 40
Claims (6)
前記複数のパワー素子の双方に跨って配置され、前記複数のパワー素子の双方に半田接合された電極を有し、
該電極は、その一部に導電性弾性体を含むことを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a plurality of power elements arranged adjacent to each other with a predetermined interval on a plane,
It is disposed across both of the plurality of power elements, and has electrodes soldered to both of the plurality of power elements,
The electrode includes a conductive elastic body in a part of the electrode.
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JP2011258632A (en) * | 2010-06-07 | 2011-12-22 | Nissan Motor Co Ltd | Semiconductor device |
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