JP2009206191A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性および冷却機能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、半導体素子が形成された半導体チップ１１ａ，１１ｂと、半導体チップ１１ａ，１１ｂで発生した熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材２１と、ヒートシンク部材２１と半導体チップ１１ａ，１１ｂとの間に介在する金属配線２３及び絶縁樹脂層２６とを備えている。ヒートシンク部材２４は、半導体チップ１１ａ，１１ｂと熱膨張係数差が小さく熱伝導率の高いＳｉ−ＳｉＣからなり、平板部２１ａと、平板部２１ａから熱交換媒体にさらされる領域に突出するフィン部２１ｂとを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体チップを実装してなるパワーモジュールに関する。

近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス（パワーモジュール）として、ＩＧＢＴやＦＥＴを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用のパワーモジュールにおいては、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が必要となっている。

かかる要求に応えるべく、特許文献１には、半導体チップが装着されるモジュール基板（ヒートシンク）を直接冷却水にさらすことにより、熱抵抗を低減し、冷却性能を向上させる構造が開示されている。また、特許文献２には、セラミックス等の絶縁基板からなる放熱基板と、Ａｌ合金からなるヒートシンクとの間に、グリースを介在させた構造が開示されている（特許文献２の段落［００３３］）。

特開２００１−５０３４０９号公報 特開２００１−１６８２５６号公報

特許文献１の技術では、ヒートシンクでもあるモジュール基板はアルミニウム等の金属によって構成されていると解される。ところが、車載用のパワーモジュールのごとく小型化を要求されるものでは、発熱量が大きくなるので、冷却能力のさらなる向上が求められる。また、ＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体を用いるものでは、使用可能温度範囲が広がることから、たとえば−４０°Ｃ〜２５０°Ｃ程度の範囲での信頼性が求められる。しかるに、特許文献１の技術では、熱膨張係数が３ｐｐｍ／Ｋ程度の半導体チップと、熱膨張係数が２０ｐｐｍ／Ｋ前後のモジュール基板との熱膨張係数差に起因する大きな熱応力が生じることになる。そこで、半導体チップ−モジュール基板間に介設される各部材によって吸収し、パワーモジュールの変形に起因するクラック，割れ，はがれなどを防止するための工夫が必要となる。

特許文献２に開示される構造では、ヒートシンクとその上方の部材との間にグリースを介在させることにより、半導体チップ−ヒートシンク間の熱膨張係数差に起因する熱応力は緩和しうる。しかしながら、グリースは、金属やセラミックに比べると、熱伝導率が低いことに加えて、接続部の信頼性を悪化させるという難点がある。すなわち、グリースはその両側の部材をずらせるものであるので、グリースによって両側の部材が固定されるものではない。また、グリース中にボイドが発生しやすく、ボイドが発生すると、放熱機能が損なわれるおそれがある。すなわち、特許文献１の技術に特許文献２の技術を適用しても、各部材の接続部の信頼性を維持することは困難である。

本発明の目的は、熱応力を抑制しつつ高い放熱機能を発揮しうるヒートシンク部材を用いて、接続部の信頼性の高い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、配線部材を挟んで半導体素子と対向する側に、Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣ，焼結Ａｌ合金のいずれかからなるヒートシンク部材を設け、ヒートシンク部材と配線部材との間に絶縁部材を介在させたものである。

これにより、ヒートシンク部材がＳｉ−ＳｉＣにより構成されていることにより、半導体チップの材料として多用されるＳｉの熱膨張係数（約３ｐｐｍ／Ｋ）またはＳｉＣの熱膨張係数（約４．６ｐｐｍ／Ｋ）との熱膨張係数差が小さくなるので、各部材間にグリースを介在させなくても熱応力を緩和することが可能になる。また、Ｓｉ−ＳｉＣは、熱伝導率がアルミニウムと同程度であるので、ヒートシンク部材の熱抵抗も小さい。よって、高い放熱機能を有し、接続部の信頼性の高いパワーモジュールが得られる。

ヒートシンク部材が、平板部と、該平板部から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出する１または２以上のフィン部とを有していることにより、フィン部による放熱機能の増大を図ることができる。

特に、配線部材がＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバール，焼結Ａｌ合金のいずれかによって構成されていることにより、材料の成分調整により熱膨張係数を半導体チップやヒートシンク部材に近づけることが可能になるので、熱応力を低減して信頼性の向上を図ることができる。

絶縁部材が、金属フィラー混入エポキシ樹脂によって構成されていることにより、ヒートシンク部材への熱伝達量を高めることができるので、放熱機能が向上する。

絶縁部材が、表面がメタライズされたＡｌＮにより構成され、絶縁部材と配線部材およびヒートシンク部材とがろう付けにより接合されていることにより、ヒートシンク部材への熱伝達量をさらに高めることができるので、放熱機能がより向上する。

パワーモジュールに形成されている半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスであることにより、チップ温度が比較的高温に達しても、熱応力をできるだけ小さくして接続部の信頼性を維持しつつ、高い放熱機能により、パワーデバイスの過剰な温度上昇を防止することができる。

本発明のパワーモジュールによると、放熱機能を高めつつ、各部材の接合部の信頼性を高く維持することができる。

図１は、実施の形態におけるパワーユニットの概略的な外観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ユニットは、放熱器５０の上にパワーモジュール１０を接合して構成されている。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製造することができる。また、放熱器５０の容器５０ｂには、熱交換媒体である冷却水の供給管５８ａと、冷却水の排出管５８ｂとが取り付けられている。

本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂ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、実施の形態におけるパワーユニットの平面図である。同図に示すように、天板５０ａの上には、樹脂ケース５３が取り付けられていて、樹脂ケース５３の開口部には、ヒートシンク部材２１，金属配線２３，半導体素子であるダイオードを内蔵した半導体チップ１１ａ、ＩＧＢＴを内蔵した半導体チップ１１ｂ等を備えたパワーモジュール１０が３カ所に配置されている。また、樹脂ケース５３には、樹脂ケース５３の側部から容器５０の外方にまで延びる電極端子層５６ａ（バスバー）と、各パワーモジュール１０を挟んで電極端子層５６ａと対向する辺に沿って延びる電極端子層５６ｂと、該電極端子層５６ｂとほぼ平行な直線部および３つの分岐部を有する櫛状の電極端子層５６ｃとが形成されている。電極端子層５６ａと金属配線２３とは、ボンディングワイヤ１７によって電気的に接続され、電極端子層５６ｂと金属配線２３とは、ボンディングワイヤ１８によって電気的に接続され、半導体チップ１１ａ，１１ｂの上面電極１６（図２においては図示せず）と金属配線２３とは、ボンディングワイヤ１９によって電気的に接続され、半導体チップ１１ａ，１１ｂの上面電極１６と電極端子層５６ｃとは、ボンディングワイヤ２０によって電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴを内蔵した半導体チップ１１ｂの制御信号用電極２８（図２においては図示せず）と外部装置とを接続する制御信号用のボンディングワイヤ２４が設けられている。

図３は、実施の形態に係るパワーユニットの図２に示すIII-III線における断面図である。本実施の形態のパワーユニットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の流路５１には、熱交換媒体としての冷却水が図３の紙面に直交する方向に流れている。また、パワーモジュール１０は、ダイオードが形成された半導体チップ１１ａと、ＩＧＢＴが形成された半導体チップ１１ｂとを備えている。半導体チップ１１ａ，１１ｂは、いずれも単結晶ＳｉＣ基板を用いて形成されており、上面および下面には、ダイオードまたはＩＧＢＴ（半導体素子）の活性領域に接続される上面電極１６および裏面電極１４がそれぞれ設けられている。特に、ＩＧＢＴが内蔵されている半導体チップ１１ｂの上面には、制御信号用電極２８（ゲート電極）が設けられている。さらに、パワーモジュール１０には、半導体チップ１１ａ，１１ｂで発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク部材２１と、半導体チップ１１ａ，１１ｂの裏面電極１４に、はんだ，ろう材などによって接合され、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどの金属板から形成される金属配線２３と、ヒートシンク部材２１と金属配線２３との間に介在する絶縁樹脂層２６とが設けられている。

樹脂ケース５３は、上下２段に配線層を配置した段付き形状をしており、電極端子層５６ａ，５６ｃは、樹脂ケース５３の下段の配線層に配置され、電極端子層５６ｂは樹脂ケース５３の上段の配線層に配置されている。電極端子層５６ｃの一部は、樹脂ケース５３の樹脂内に埋め込まれているが、図２に示す櫛の分岐部および直線部の端部においては、樹脂から露出している。

ヒートシンク部材２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａから熱交換媒体である冷却水が流れる領域（流路５１）に向かって突出し、冷却水にさらさるフィン部２１ｂとからなっている。また、天板５０ａには、開口部を囲む溝５５が形成されていて、溝５５内にＯリング５４が装着されている。ヒートシンク部材２１の平板部２１ａは、Ｏリング５４を押圧していて、Ｏリング５４により、流路５１が外部空間から遮断されている。これにより、冷却水が外部に漏れないように流路５１が密閉されている。

ここで、本実施の形態においては、ヒートシンク部材２１がＳｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣ，焼結Ａｌ合金のいずれかにより構成されている。Ｓｉ−ＳｉＣの常温における熱伝導率は２００または２３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ａｌ−ＳｉＣの常温における熱伝導率は１５０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、，焼結Ａｌ合金の常温における熱伝導率は１３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であって、これらの材料の熱抵抗はアルミニウムと遜色がない。したがって、ヒートシンク部材２１により、高い冷却性能が得られる。また、Ｓｉ−ＳｉＣの熱膨張係数は約３（ｐｐｍ／Ｋ）であり、Ａｌ−ＳｉＣの熱膨張係数は約８〜１５（ｐｐｍ／Ｋ）であり、焼結Ａｌ合金の熱膨張係数は約１４（ｐｐｍ／Ｋ）であって、本実施の形態における半導体チップ１１ａ，１１ｂの基板材料である単結晶ＳｉＣの熱膨張係数は約４．６（ｐｐｍ／Ｋ）であるので、ヒートシンク部材２１−半導体チップ１１ａ，１１ｂ間の熱膨張係数差が比較的小さい。したがって、ヒートシンク部材２１−半導体チップ１１ａ，１１ｂ間にグリースを介在させなくても、熱応力を容易に緩和することができるので、接続部の信頼性も高い。すなわち、熱応力を低減しつつ、高い放熱機能を発揮することができ、しかも接続部の信頼性も高いパワーモジュール１０が得られることになる。

Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣは、焼結体の隙間を金属で埋めて製造される材料であり、焼結Ａｌ合金は、Ａｌ粉末およびＳｉ粉末混合して、熱間鍛造または熱間押し出しすることで製造される材料である。したがって、多くの空孔が存在する多孔質ＳｉＣに比べて高い熱伝達率を実現することができる。また、セラミックス材料であるＡｌＮも熱伝導率の高い材料であるが、ＡｌＮを長期間水にさらすと、水とＡｌＮとの接触反応によってエロージョン腐食という現象が生じることが知られている。それに対し、本実施の形態のヒートシンク部材２１は、安定性の高いＳｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣまたは焼結Ａｌ合金によって構成されているので、格別の工夫をしなくても、腐食などのおそれを確実に防止することができる。

特に、本実施の形態のごとく、ＳｉＣ基板などのワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を内蔵する半導体チップ１１ａ，１１ｂにおいては、使用温度範囲（−４０°Ｃ〜２５０°Ｃ）が広くなるので、半導体チップ−ヒートシンク間の熱応力を最小限に抑制する必要がある。したがって、本実施の形態により、パワーモジュールが組み込まれるインバータの小型化を図りつつ、広い使用温度範囲におけるパワーモジュールの信頼性を向上することができる、という著効を発揮することができる。

ただし、本発明のパワーモジュールにおける半導体チップは、ＳｉＣを用いたものに限定されることはなく、Ｓｉを用いたものでもよいし、ＧａＮ（熱膨張係数は約５．６（ａ軸）−３．２（ｃ軸）（ｐｐｍ／Ｋ））などの他のワイドバンドギャップ半導体を用いたものでもよい。

また、本実施の形態においては、金属配線２３がＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバール，焼結Ａｌ合金のいずれかにより構成されている。Ｃｕ−Ｍｏの熱膨張係数αは約６．５〜８（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｃｕ−Ｗの熱膨張係数αは約６．５〜７（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は１８０〜２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、コバールの熱膨張係数αは約５．３（ｐｐｍ／Ｋ），熱伝導率は約１７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、焼結Ａｌ合金の熱膨張係数αおよび熱伝導率は上述の通りである。ＣｕＭｏ，ＣｕＷ，焼結Ａｌ合金の材料の熱伝導率は、Ｃｕの熱伝導率（約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ））に比べるとかなり低いものの、アルミニウム（Ａｌ）に近い値である。一方、ＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバールの熱膨張係数αは、Ｃｕの熱膨張係数α（≒１７）よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数に近い。したがって、金属配線２３を、ＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバール，焼結Ａｌ合金のいずれかにより構成することによって、熱抵抗をできるだけ小さくしたり、熱応力をできるだけ小さくすることができる。

ただし、金属配線２３の材料は、ＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバール，焼結Ａｌ合金に限定されるものではなく、Ｃｕなどの他の材料を用いてもよい。

また、ヒートシンク部材２１と金属配線２３との間に介在する絶縁樹脂層２６は、アルミナフィラーを混練したエポキシ樹脂からなり、厚みが約０．８ｍｍ程度である。絶縁樹脂層２６の熱伝導率は、約３．５Ｗ／ｍ・Ｋであり金属に比べると小さいが、厚みが０．８ｍｍ程度と薄いので、半導体チップ１１ａ，１１ｂ−ヒートシンク部材２１間の熱抵抗をそれほど増大させることはない。

なお、絶縁樹脂層２６に代えて、たとえば両面にメタライズ層が形成されたＡｌＮ板を用いてもよい。その場合には、ＡｌＮ板とヒートシンク部材２１とをはんだにより接合することができるので、半導体チップ１１ａ，１１ｂ−ヒートシンク部材２１間の熱抵抗をより小さくすることができる。

上記実施の形態においては、ヒートシンク部材２１が、平板部２１ａと、該平板部２１から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出するフィン部２１ｂとを有しているが、フィン部２１ｂは必ずしも設けられている必要はない。ただし、フィン部２１ｂが設けられていることにより、放熱機能の向上を図ることができる。また、ヒートシンク部材２１を、熱伝導率の高いＳｉ−ＳｉＣにより一体的に構成することができるので、フィン部を別材料によって形成するよりも、製造コストの低減を図ることができる。

Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣの製造方法は、一般に、含浸法、溶浸法などと呼ばれる方法で形成される。この方法は、ＳｉＣの押し出し成形、予備焼結、ＳｉまたはＡｌ添加反応焼結という手順を経ることで、ニアネットシェイプ製造でき、製造コストが安価であるという利点がある。ただし、本発明のヒートシンク部材２１は、必ずしもこの方法で形成されたものに限定されるものではなく、たとえばＳｉＣ粉末と、Ｓｉ粉末またはＡｌ粉末とを混合して反応焼結させたもの、など他の製造方法によって形成されたものであってもよい。また、焼結Ａｌ合金の製造方法は、Ａｌ粉末とＳｉ粉末とをたとえば重量比６０：４０の割合で混合し、熱間鍛造や熱間押し出しすることにより形成される。

ヒートシンク部材２１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、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、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。

上記実施の形態では、半導体チップ１１ｂに、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，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、絶縁樹脂層２６として、アルミナフィラーを混練したエポキシ樹脂を用いたが、樹脂やフィラーの材質はこれらに限定されるものではない。たとえば、フィラーとして、シリカ（ＳｉＯ２）などの絶縁性無機材料を用いてもよいし、アルミニウムなどの金属を用いても、絶縁樹脂層２６の絶縁機能が維持されていればよい。

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２１上に多数の半導体チップを搭載したパワーモジュールであってもよい。

本発明のヒートシンク部材または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ユニットの外観構造を示す斜視図である。 実施の形態におけるパワーユニットの平面図である。 実施の形態のパワーユニットのIII-III線における断面図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ａ 半導体チップ
１１ｂ 半導体チップ
１４ 裏面電極
１６ 上面電極
１７ ボンディングワイヤ
１８ ボンディングワイヤ
１９ ボンディングワイヤ
２０ ボンディングワイヤ
２１ ヒートシンク部材
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 保護層
２３ 金属配線
２４ ボンディングワイヤ
２６ 絶縁樹脂層
２８ 制御信号用電極
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 流路
５３ 樹脂ケース
５６ａ−５６ｃ 電極端子層
５８ａ 供給管
５８ｂ 排出管

Claims (6)

1. 半導体素子および電極が形成された半導体チップと、
   前記電極に接合された配線部材と、
   前記配線部材を挟んで前記半導体チップと対向する側に設けられ、熱交換媒体が流れる領域に一部が露出する，Ｓｉ−ＳｉＣ，Ａｌ−ＳｉＣ，焼結Ａｌ合金のいずれかからなるヒートシンク部材と、
   前記ヒートシンク部材と前記配線部材との間に介在する絶縁部材と、
   を備え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、
   前記ヒートシンク部材は、
   平板部と、
   該平板部から熱交換媒体が流れる領域に向かって突出する１または２以上のフィン部と
   を有している、パワーモジュール。
3. 請求項１または２記載のパワーモジュールにおいて、
   前記配線部材は、ＣｕＭｏ，ＣｕＷ，コバール，焼結Ａｌ合金のいずれかにより構成されている、パワーモジュール。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記絶縁部材は、無機材料フィラー混入エポキシ樹脂により構成されている、パワーモジュール。
5. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記絶縁部材は、表面がメタライズされたＡｌＮにより構成され、
   前記絶縁部材と前記配線部材およびヒートシンク部材とは、ろう付けにより接合されている、パワーモジュール。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスである、パワーモジュール。

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