JP2009206347A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】
絶縁性を確保しつつモジュールの薄型化を図ることのできるパワーモジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】
上部電極１と下部電極２との間に半導体素子３Ａ及び３Ｂが配設されており、上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとの間は、絶縁層５を介して半田４Ａによって電気的に接続されている。また、下部電極２と半導体素子３Ａ及び３Ｂとの間は、半田４Ｂによって電気的に接続されている。下部電極２の下側には、絶縁基板６を介して放熱板７及び冷却器８が接続されている。絶縁層５は、半導体素子３Ａ用の開口部５Ａと、半導体素子３Ｂ用の開口部５Ｂとを有する。半導体素子３Ａ及び３Ｂは、開口部５Ａ及び５Ｂ内に嵌着された状態で半田４Ａにより上部電極１に接合される。このため、上部電極１又は半田４Ａと、下部電極２又は半田４Ｂとの間における絶縁を確保することができ、信頼性の高い絶縁構造を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の発熱によって生じる応力を緩和することのできるパワーモジュールに関する。
従来より、パワーモジュールでは、絶縁性と放熱性の確保が課題であり、種々の工夫がなされている。例えば、図７に示すように、上部電極１１０と下部電極１２０との間で、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子１３０を半田１４０により電気的に接続するとともに、バスバー１５０と半導体素子１３０の間をボンディングワイヤ１６０により接続したパワーモジュールがある。このパワーモジュールでは、バスバー１５０は絶縁板１７０を介して下部電極１２０上に配設されており、また、下部電極１２０上で上部電極１１０を支持するために、絶縁板１８０Ａ、信号線１９０、及び絶縁板１８０Ｂを含む積層構造体が配設されている（例えば、特許文献１参照）。
また、図８に示すパワーモジュールでは、上部電極２１０と下部電極２２０との間に複数の半導体素子２３０Ａ及び２３０Ｂが配設されている。これらの半導体素子２３０Ａ及び２３０Ｂと、上部電極２１０及び下部電極２２０との間は、半田２４０により電気的に接続されており、半導体素子２３０Ａとバスバー２５０との間はボンディングワイヤ２６０で接続されている。
この図８に示すパワーモジュールでは、上部電極２１０の上方及び下部電極２２０の下方には、絶縁基板２７０を介して冷却器２８０Ａ及び２８０Ｂが取り付けられている。また、冷却器２８０Ａと２８０Ｂとの間の空間や、上部電極２１０と下部電極２２０との間の空間には、樹脂２９０が充填されており、上部電極２１０、下部電極２２０、及びバスバー２５０の間が絶縁されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−０４９５７２号公報 特開２００１−３５２０２３号公報
しかしながら、特許文献１記載のパワーモジュールでは、半導体素子１３０の近傍に空間が存在するため、図７中に矢印で示す上部電極１１０と下部電極１２０との間の距離をある程度確保することによって放電の発生を抑制する必要があり、上下電極間の距離を短く（すなわち素子を薄く）できないという課題があった。
また、特許文献２記載のパワーモジュールでは、上部電極２１０と下部電極２２０との間の空間や、冷却器２８０Ａと２８０Ｂとの間の空間には、樹脂２９０が充填されているため、半導体素子２３０Ａ及び２３０Ｂから冷却器２８０Ａ及び２８０Ｂへの熱伝導が阻害され、良好な放熱性を得難いという課題があった。また、樹脂２９０を充填するためにモジュールの厚さが増大することや、樹脂２９０を充填することによって上下電極間を絶縁するため、樹脂２９０内にボイドが存在する場合には放電する可能性があり、ボイド自体を発見することが困難である等の課題もあった。
そこで、本発明は、絶縁性を確保しつつモジュールの薄型化を図ることのできるパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明の一局面のパワーモジュールは、相対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に平面的に複数配置され、各々が前記第１電極及び前記第２電極に電気的に接続される半導体素子と、前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方と、前記半導体素子との間に配設され、前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方と前記半導体素子とを電気的に接続するための貫通部を有する絶縁部材とを含む。
また、前記絶縁部材は、前記貫通部に階段形状部を含み、前記半導体素子は、前記階段形状部内で位置決めされてもよい。
また、前記階段形状部は、前記半導体素子を位置決めするための第１段部と、前記半導体素子を前記第１電極又は第２電極に電気的に接続するための接合部の位置決めを行うための第２段部とを含み、前記第２段部は前記第１段部よりも平面視において内側に位置し、前記半導体素子は前記第１段部に嵌着されてもよい。
また、前記第１電極は、一の半導体素子の第１側に接続されるとともに、他の半導体素子の第２側に接続されており、前記第２電極は、前記他の半導体素子の第１側に接続されるとともに、前記一の半導体素子の第２側に接続されてもよい。
本発明によれば、絶縁性を確保しつつモジュールの薄型化を図ることのできるパワーモジュールを提供できるという特有の効果が得られる。
以下、本発明のパワーモジュールを適用した実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のパワーモジュールの断面構造を示す図である。本実施の形態のパワーモジュールでは、上部電極１と下部電極２との間に半導体素子３Ａ及び３Ｂが配設されており、上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとの間は、絶縁層５を介して半田４Ａによって電気的に接続されている。また、下部電極２と半導体素子３Ａ及び３Ｂとの間は、半田４Ｂによって電気的に接続されている。
下部電極２の下側には、絶縁基板６を介して放熱板７及び冷却器８が接続されている。なお、放熱板７と冷却器８との間にはグリス等が塗布されており、熱伝導率の向上が図られている。
上部電極１は薄板状の金属板であり、半田４Ａによって半導体素子３Ａ及び３Ｂと電気的に接続され、これら半導体素子３Ａ及び３Ｂの駆動に必要な電圧や電流の供給を行うための電極として機能するとともに、半導体素子３Ａ及び３Ｂが発する熱を放熱する機能を担う。この上部電極１としては、熱伝導率の高さと電気抵抗の低さから銅（Ｃｕ）製の電極を用いることができる。
下部電極２は、上部電極１と同様に薄板状の金属板であり、半田４Ｂによって半導体素子３Ａ及び３Ｂと電気的に接続され、これら半導体素子３Ａ及び３Ｂの駆動に必要な電圧や電流の供給を行うための電極として機能するとともに、半導体素子３Ａ及び３Ｂが発する熱を放熱板７に伝達する機能を担う。この下部電極２としては、上部電極１と同様に銅（Ｃｕ）製の電極を用いることができる。
半導体素子３Ａは、例えば、ＩＧＢＴで構成することができる。この場合、上部電極１がＩＧＢＴのソース電極に接続され、下部電極２がドレイン電極に接続され、それぞれ外部回路に接続されるように構成される。また、半導体素子３Ａのゲート電極は、ボンディングワイヤ９を介して外部のゲート駆動回路に接続されている。このように接続されることにより、半導体素子３Ａを駆動できるように構成されている。
また、半導体素子３Ｂは、例えば、負荷電流を転流させるためのＦＷＤ（Free Wheeling Diode）で構成することができる。この場合、上部電極１から下部電極２に向かって負荷電流を流せるように構成されていればよい。
なお、これらの半導体素子３Ａ（ＩＧＢＴ）及び半導体素子３Ｂ（ＦＷＤ）は、実際には、多数組配設されており、例えば、図２に示すように電動発電機（MG:motor-generator）の三相駆動用のインバータ回路を構成する。
また、半田４Ａ及び４Ｂとしては、例えば、錫鉛合金（Ｓｎ−Ｐｂ）を用いることができ、絶縁基板６としては、例えば、セラミック基板を用いることができる。さらに、放熱板７と冷却器８は、放熱性の高いアルミニウム（Ａｌ）製のものを用いることができる。冷却器８は、放熱用のフィン８Ａが複数形成されたものが好ましい。
図３は、実施の形態１のパワーモジュールの絶縁層５を示す平面図である。図１は、図３に示すＡ−Ａ矢視断面図に相当する。
この図３に示すように、上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとの間に挿入される絶縁層５は、半導体素子３Ａ用の開口部５Ａと、半導体素子３Ｂ用の開口部５Ｂとを有する。開口部５Ａ及び５Ｂは平面視矩形の開口部であり、半導体素子３Ａ及び３Ｂは、それぞれ、開口部５Ａ及び５Ｂを通じて半田４Ａにより上部電極１に電気的に接続されている。また、このように開口部５Ａ及び５Ｂを通じて半田４Ａで接合することにより、半導体素子３Ａ及び３Ｂは上部電極１に熱的に接続されることになる。なお、絶縁層５と上部電極１との間は、半田付け又はろう付けにより接合される。
絶縁層５は、樹脂又はセラミックで構成される。この絶縁層５を構成する樹脂又はセラミックには、半導体素子３Ａ及び３Ｂの上側における高度な絶縁性と、発熱に耐え得るだけの高度な耐熱性が要求される。
図４は、本実施の形態のパワーモジュールを図３のＢ−Ｂ矢視断面図で示す図である。Ａ−Ａ矢視断面図に相当する図１では、絶縁層５の開口部５Ａ及び５Ｂが含まれていないため、半導体素子３Ａ及び３Ｂの上側にある半田４Ａを破線で示したが、図４に示すＢ−Ｂ矢視断面では、開口部５Ａ及び５Ｂが含まれるため、半導体素子３Ａ及び３Ｂの上側にある半田４Ａを実線で表す。
図５は、本実施の形態のパワーモジュールの絶縁層５の開口部５Ａを拡大して示す図である。開口部５Ａは、第１段部５ａ及び第２段部５ｂを含む階段状の断面構造を有する。この第１段部５ａ及び第２段部５ｂは、図３において、それぞれ一点鎖線及び破線で示すように、平面視矩形の開口部５Ａの周囲を囲むように形成されている。すなわち、開口部５Ａの矩形状の開口の四辺に沿って第１段部５ａと第２段部５ｂによる２段階の階段形状が形成されている。
図５に示すように、第１段部５ａの寸法は半導体素子３Ａを嵌着可能にすべく、半導体素子３Ａの外寸に合わせて設計されており、また、第２段部５ｂの寸法は半導体素子３Ａの外寸よりも小さく設計されている。ここで、例えば、半導体素子３Ａが平面視で１０ミリ角であると、第１段部５ａの寸法は、平面視で１０．５ミリ角であり、第２段部５ｂの寸法は、平面視で８ミリ角に設定される。
このため、この絶縁層５の開口部５Ａを介して、半田４Ａによって上部電極１と半導体素子３Ａとを接続する際には、まず、第１段部５ａ内に半導体素子３Ａを嵌着し、その上で開口部５Ａの第２段部５ｂ内に半田４Ａを装填し、さらに開口部５Ａの上に上部電極１を搭載した状態で加熱すれば、半田４Ａが溶融して開口部５Ａ内で上部電極１と半導体素子３Ａとが接合される。
このとき、図５に示すように、第１段部５ａには半導体素子３Ａが収容され、第２段部５ｂには半田４Ａが収容されることになる。このとき、半導体素子３Ａは、第１段部５ａの下向きの面に当接するようにして半田付けされるため、半田４Ａは、第２段部５ｂ内にだけ存在し、半導体素子３Ａの側部には存在しない。
なお、図５には、上部電極１と半導体素子３Ａとを接続するための開口部５Ａを示すが、上部電極１と半導体素子３Ｂとを接続するための開口部５Ｂの構造も同一であり、開口部５Ｂの第１段部５ａは半導体素子３Ｂの外寸に合わせて設計されており、また、第２段部５ｂの寸法は半導体素子３Ｂの外寸よりも小さく設計されている。ここで、例えば、半導体素子３Ｂが平面視で８ミリ角であると、第１段部５ａの寸法は、平面視で８．５ミリ角であり、第２段部５ｂの寸法は、平面視で６ミリ角に設定される。
このように、本実施の形態のパワーモジュールによれば、上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとを接続するための半田４Ａは絶縁層５の第２段部５ｂ内に留まり、第１段部５ａ内には存在しないので、半導体素子３Ａ及び３Ｂの下側に存在する下部電極２や、下部電極２と半導体素子３Ａ及び３Ｂとを接続するための半田４Ｂとは空間を共有しない。
このため、本実施の形態のパワーモジュールによれば、絶縁層５を介して上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとを接続することにより、上部電極１又は半田４Ａと、下部電極２又は半田４Ｂとの間における絶縁を確保することができる。この絶縁層５は、樹脂やセラミックで予め成形することができるため、ボイドの存在等は予め検査することで排除でき、信頼性の高い絶縁構造を得ることができる。
また、このように絶縁層５により絶縁を確保することができ、従来のように上下電極間に樹脂等を封入する必要がないので、従来よりも上部電極１と下部電極２との間の電極間距離を狭めることができる。
また、従来のように樹脂等を封入する必要がなく、半導体素子３Ａ及び３Ｂの周囲における熱容量を増大させることができるため、瞬間的な耐熱特性を向上させることができ、半導体素子３Ａ及び３Ｂの発熱を効率的に放熱できる構造を得ることができる。
また、通常、ＦＷＤよりもＩＧＢＴの方が発熱量は断然多いため、ＩＧＢＴの発する熱がＦＷＤ側でも放熱されることになり、本実施形態のように上下電極間に樹脂を封入せずに半導体素子３Ａ及び３Ｂの周囲における熱容量を増大させることができる構造によれば、放熱経路の短縮化を図ることができ、これにより放熱性を向上させることができる。
また、上部電極１及び下部電極２を平板状の電極で構成することができるので、パワーモジュールの製造コストを低下ないし抑制することができる。
なお、既述のように、半導体素子３Ａ及び３Ｂと絶縁層５とが当接した状態で半田４Ａによって接合されるため、第２段部５ｂの深さを調節することにより、半田４Ａの厚さを調節することができる。また、半導体素子３Ａ及び３Ｂは、開口部５Ａ内の第１段部５ａに嵌着された状態で半田付けされるため、実装時の治具を簡素化することができる。
以上では、絶縁層５を介して上部電極１と半導体素子３Ａ及び３Ｂとを半田４Ａで接合する形態について説明したが、これに代えて、絶縁層５を介して下部電極２と半導体素子３Ａ及び３Ｂとを半田４Ｂで接合するように構成してもよいし、あるいは、半導体素子３Ａ及び３Ｂの上下に絶縁層５を配設してもよい。
［実施の形態２］
図６は、実施の形態２のパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
本実施の形態では、半導体素子３Ａと３Ｂに接続される電極２１Ａ及び２１Ｂが図６（ａ）に示すようにコの字型に形成されている。また、電極２１Ａ及び２１Ｂの下には、電極２１Ａ及び２１Ｂと同様にコの字型に形成された絶縁層２５Ａ及び２５Ｂが配設されている。
このような電極２１Ａと絶縁層２５Ａの積層体は、図６（ａ）においてコの字型の凹部が図中上向きになるように配設され、電極２１Ｂと絶縁層２５Ｂの積層体は、図６（ａ）においてコの字型の凹部が図中下向きになるように配設されており、互いのコの字の凹部同士を噛み合わせるように配設されることにより、図６（ｂ）に示すように、互い違いに（側面視Ｘ字型に）配設されている。
なお、このような構成により、絶縁層２５Ａの一部の領域（図６（ｂ）中における右側）及び絶縁層２５Ｂの一部の領域（図６（ｂ）中における左側）を放熱板７の上に直接形成されるため、上述した絶縁層２５Ａの一部の領域と絶縁層２５Ｂの一部の領域とは実施の形態１における絶縁層６の機能を兼ねる。その他の構成は実施の形態１に準ずるため、同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
図６（ｂ）に示すように、本実施の形態のパワーモジュールは、半導体素子３Ａの上側が絶縁層２５Ａを介して半田４Ａによって電極２１Ａに接続されている。この電極２１Ａは、半導体素子３Ｂに対しては、下側において半田４Ｂによって接合されている。絶縁層２５Ａは、半導体素子３Ｂの下側では、放熱板７との間の絶縁を確保するために用いられている。すなわち、絶縁層２５Ａは半導体素子３Ｂの下側においては、実施の形態１における絶縁層６の機能を兼ねている。
同様に、半導体素子３Ｂの上側は絶縁層２５Ｂを介して半田４Ａによって電極２１Ｂに接続されている。この電極２１Ｂは、半導体素子３Ａに対しては、下側において半田４Ｂによって接合されている。絶縁層２５Ｂは、半導体素子３Ａの下側では、放熱板７との間の絶縁を確保するために用いられている。すなわち、絶縁層２５Ｂは半導体素子３Ａの下側においては、実施の形態１における絶縁層６の機能を兼ねている。
電極２１Ａと２１Ｂは、側面視においてＸ字型に交差するように配設されているが、交差部における互いの間は、コの字の凹部同士を離間させることにより絶縁されている。
また、電極２１Ａの２１Ｂの下側には、それぞれ、絶縁層２５Ａと２５Ｂが挿入されている。絶縁層２５Ａと２５Ｂは、実施の形態１と同様の第１段部及び第２段部を半導体素子３Ａ及び３Ｂの上側に有する。半導体素子３Ａ及び３Ｂと、絶縁層２５Ａ及び２５Ｂとは、第１段部の内部で当接されるようにして半田付けされる。
これにより、半導体素子３Ａを電極２１Ａと接合する半田４Ａは、絶縁層２５Ａの第２段部内に留められ、絶縁層２５Ａ又は半田４Ａと、半導体素子３Ａの下の半田４Ｂ又は電極２１Ｂとの絶縁が確保される。
同様に、半導体素子３Ｂを電極２１Ｂと接合する半田４Ａは、絶縁層２５Ｂの第２段部内に留められ、絶縁層２５Ｂ又は半田４Ａと、半導体素子３Ｂの下の半田４Ｂ又は電極２１Ａとの絶縁が確保される。
以上のような本実施の形態のパワーモジュールは、コの字型に形成された電極２１Ａと絶縁層２５Ａの積層体と、コの字型に形成された電極２１Ｂと絶縁層２５Ｂの積層体とは、コの字を噛み合わせるように配設することによって形成することができる。このとき、半田４Ａ、４Ｂは、半導体素子３Ａ及び３Ｂ、電極２１Ａ及び２１Ｂ、絶縁層２５Ａ及び２５Ｂをそれぞれ位置合わせして組み合わせた状態で流し込めばよい。または、これに代えて、高粘性のある半田を半導体素子３Ａ及び３Ｂ、又は絶縁層２５Ａ及び２５Ｂに付着させた状態で組み合わせて接合すればよい。
このように、本実施の形態のパワーモジュールによれば、電極２１Ａ及び２１Ｂと半導体素子３Ａ及び３Ｂとを上側で接続するための半田４Ａは、絶縁層２５Ａ及び２５Ｂの第２段部内に留まり、第１段部内には存在しないので、半導体素子３Ａ及び３Ｂの下側に存在する電極２１Ａ及び２１Ｂの部分や、電極２１Ａ及び２１Ｂと半導体素子３Ａ及び３Ｂとを接続するための半田４Ｂとは空間を共有しない。
このため、本実施の形態のパワーモジュールによれば、絶縁層２５Ａ及び２５Ｂを介して電極２１Ａ及び２１Ｂと半導体素子３Ａ及び３Ｂとを接続することにより、半導体素子３Ａの上側における電極２１Ａ又は半田４Ａと、半導体素子３Ａの下側における電極２１Ａ又は半田４Ｂとの間における絶縁を確保することができる。同様に、半導体素子３Ｂの上側における電極２１Ｂ又は半田４Ａと、半導体素子３Ｂの下側における電極２１Ａ又は半田４Ｂとの間における絶縁を確保することができる。
さらに、本実施の形態では、絶縁層２５Ａの一部の領域（図６（ｂ）中における右側）及び絶縁層２５Ｂの一部の領域（図６（ｂ）中における左側）を放熱板７の上に直接形成することにより、実施の形態１における絶縁層６を省くことができるため、製造コストをさらに抑制することができる。
なお、以上の説明における半導体素子３Ａ、３Ｂ等の寸法は一例に過ぎず、その数値以外の値を除外する趣旨ではない。
以上、本発明の例示的な実施の形態のパワーモジュールについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
実施の形態１のパワーモジュールの断面構造を示す図である。 インバータ回路の構成を示す図である。 実施の形態１のパワーモジュールの絶縁層５を示す平面図である。 本実施の形態のパワーモジュールを図３のＢ−Ｂ矢視断面図で示す図である。 本実施の形態のパワーモジュールの絶縁層５の開口部５Ａを拡大して示す図である。 実施の形態２のパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 従来のパワーモジュールの断面構造を示す図である。 従来の他のパワーモジュールの断面構造を示す図である。
符号の説明
１ 上部電極
２ 下部電極
３Ａ、３Ｂ 半導体素子
４Ａ、４Ｂ 半田
５、２５Ａ、２５Ｂ 絶縁層
６ 絶縁基板
７ 放熱板
８ 冷却器
８Ａ フィン
９ ボンディングワイヤ
２１Ａ、２１Ｂ 電極

Claims (4)

  1. 相対向する第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極及び前記第２電極の間に平面的に複数配置され、各々が前記第１電極及び前記第２電極に電気的に接続される半導体素子と、
    前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方と、前記半導体素子との間に配設され、前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方と前記半導体素子とを電気的に接続するための貫通部を有する絶縁部材と
    を含む、パワーモジュール。
  2. 前記絶縁部材は、前記貫通部に階段形状部を含み、前記半導体素子は、前記階段形状部内で位置決めされる、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記階段形状部は、前記半導体素子を位置決めするための第１段部と、前記半導体素子を前記第１電極又は第２電極に電気的に接続するための接合部の位置決めを行うための第２段部とを含み、
    前記第２段部は前記第１段部よりも平面視において内側に位置し、前記半導体素子は前記第１段部に嵌着される、請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記第１電極は、一の半導体素子の第１側に接続されるとともに、他の半導体素子の第２側に接続されており、前記第２電極は、前記他の半導体素子の第１側に接続されるとともに、前記一の半導体素子の第２側に接続されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュール。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2021082804A (ja) * 2019-11-15 2021-05-27 株式会社デンソー 半導体モジュール

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