JP2009260016A - パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングと冷却器の接続部におけるボイドの発生やエアーパス形成によるパワーモジュールの絶縁不良とこれに起因する焼損を効果的に抑止でき、可及的に小体格のパワーモジュールを安価に製造することのできるパワーモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板５と半導体素子４とからなる回路ユニット７が冷却器２上に載置固定され、冷却器２上で回路ユニット７を囲繞するハウジング１が載置固定され、ハウジング１内に封止樹脂体３が形成されてなるパワーモジュール１０の製造方法であり、ハウジング１と冷却器２は熱圧着により固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールを構成する冷却器とハウジングとの接合が簡素化されたパワーモジュールの製造方法に関するものである。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。

ここで、パワーモジュールは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体からなる絶縁基板の一側面に半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板の他側面には半導体素子からの熱を絶縁基板を介して放熱するための冷却器がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されている。なお、この冷却器は、板状のヒートシンクのほか、冷水等の冷媒を還流させる機能を備えたもの、さらにはそれらが組み合わされたものなど、多様な形態が存在する。

パワーモジュールのより具体的な構成は、上記する冷却器上に絶縁基板および半導体素子からなる回路ユニットが載置固定され、この回路ユニットが冷却器に載置固定されたハウジングにて囲繞され、ハウジング内に封止樹脂がモールドされることで一つのパワーモジュールが形成されている。

従来のパワーモジュールでは、特許文献１，２に開示のパワーモジュールの製造方法のごとく、ハウジングと冷却器との接合方法が接着剤によるものや、より一般的な接合方法として、この接着剤接合に加えてボルト接合を加えた方法が用いられている。図５に基づいて接着剤とボルトを併用した接合形態を具備するパワーモジュールを説明すると、従来のパワーモジュールａは、ヒートシンク板ｃ１と冷媒還流器ｃ２とからなる冷却器ｃにハウジングｂの側壁下端が接着剤ｆにて固定されるとともに、該側壁下方にて側方に張り出したフランジｂ１と冷却器ｃとがボルトｇにて締結されている。ハウジングｂの内部には所定数の回路ユニットｅ（半導体素子と絶縁基板がはんだ層にて固定され、絶縁基板は冷却器にはんだ層にて固定されている）が収容され、封止樹脂体ｄにて回路ユニットが封止された構造を呈している。

しかし、接着剤にてハウジングと冷却器を固定する場合は、冷却器に接着剤を塗布する工程、次いでハウジングを固定する工程、次いで接着剤を加熱硬化させる工程と、工程数が多く、ボルト接合を含む場合には、さらにボルト締結工程が必要となる。

ボルト締結においては、図５で示すように、冷却器にボルト締結用のスペースが必要となってパワーモジュールの大型化の原因となっており、たとえばパワーモジュールを具備するインバータを搭載する車両等では、その小型化、軽量化を追求する昨今の流れの中で、限られた狭小な車載スペースへの搭載が困難な状況となっているのが現状である。

また、シリコーンゲルなどの封止樹脂にて回路ユニットがモールドされている場合において、接着剤の未塗布部位や接着剤硬化時に生じた気泡部位（シリコーン系接着剤の場合に顕著）がハウジング外部へ通じるエアーのパスを形成してしまい、このパスがゲル注入時およびゲル硬化時のゲル漏れの原因ともなっている。

さらに、インバータを搭載した車両においては、一般の民生電子製品に比して走行時の振動が激しく、接着剤とハウジングまたは冷却器との界面にて相対的に剥離が生じ易くなり、剥離を介して外部から封止樹脂内に空気が浸入し、異電位間に気泡が移動して絶縁不良を来たし、パワーモジュールが焼損するといった問題も存在している。

特開２０００−１８３２７８号公報 特開平７−５８２８２号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ハウジングと冷却器との接合工程の簡素化を図ることができ、さらには、接合部において外部に通じるエアーのパス形成を抑止することのできるパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールの製造方法は、絶縁基板と半導体素子とからなる回路ユニットが冷却器上に載置固定され、該冷却器上で該回路ユニットを囲繞するハウジングが載置固定され、該ハウジング内に封止樹脂体が形成されてなるパワーモジュールの製造方法において、前記ハウジングと前記冷却器との固定が熱圧着によるものである。

本発明のパワーモジュールは、ハウジングと冷却器との固定を熱圧着すること、すなわち、ハウジング下方の固定部位を加熱溶融して冷却器に圧着することにより、従来の接着剤による固定、さらにはこれにボルト締結を加えた固定による場合の製造工数を低減できること、および、接着剤による場合の接着部を介したエアーのパス形成を効果的に抑止することを実現するものである。接着剤による固定方法では、接着剤を塗布するのみならず、塗布された接着剤が硬化するのを待ってボルト締結工程に移行することから、従来構造ではこのハウジングと冷却器の接続作業に要する時間が製造効率を悪化させていた。ここで、冷却器の形態は既述のごとく、板状のヒートシンクのほか、冷水等の冷媒を還流させる機能を備えた冷媒還流器、さらにはそれらが組み合わされたものなど、特に限定されるものではない。

ここで、加熱溶融されるハウジングは、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂をインサート成形等することで形成できる。

一方、封止樹脂体は、シリコーンゲル（シリコーン樹脂）をはじめ、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などの樹脂素材から形成でき、その放熱性をより高めるためには、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーを所定の含有割合で混合するのがよい。

また、本発明によるパワーモジュールの製造方法の好ましい実施の形態は、前記熱圧着が真空雰囲気下にておこなわれるものである。

真空引きした状態でハウジングを冷却器に熱圧着することにより、加熱溶融したハウジング下端が冷却器に圧着される際に圧着箇所からボイドを完全に取り除くことができ、さらには加熱溶融したハウジング下端を冷却器表面（の微小凹凸）に効果的に浸透させることができる。

さらに、本発明によるパワーモジュールの製造方法の好ましい実施の形態は、少なくとも前記冷却器におけるハウジング固定部位の面粗度（Ｒａ）が０．１〜１０．０μｍの範囲に設定されているものである。

本発明者等の検証によれば、冷却器表面の面粗度（Ｒａ：中心線平均粗さ）が０．１μｍ程度で従来の接着剤による場合の接着強度：２ＭＰａ程度となり、０．１μｍを下回ると接着強度が従来の接着剤による場合を下回ることが特定されている。そこで、冷却器表面の面粗度：Ｒａの下限値は０．１μｍに設定される。

一方、面粗度を変化させて接着強度を測定すると、面粗度：Ｒａが１．６μｍ程度で接着強度のピーク値が得られ、面粗度がこれよりも粗くなるにつれて接着強度は漸減する傾向を呈することが特定されており、面粗度：Ｒａが１０μｍ程度で接着剤による場合の接着強度：２ＭＰａ程度となることが同様に特定されている。また、Ｒａが１０μｍを超えてしまうと、冷却器のたとえばヒートシンク板の剛性低下の問題も顕著となる。

以上の検証結果より、ハウジングと冷却器を熱圧着する場合の該冷却器表面の面粗度：Ｒａを０．１μｍと１０μｍの間の範囲に設定するものである。

本実施の形態の製造方法によれば、冷却器表面の面粗度を所定範囲に調整するだけでハウジングと冷却器の強固な接合を担保することができる。

上記する製造方法によって製造されたパワーモジュールは、ボルト締結用のスペースを必要とせず、可及的に小規模なパワーモジュールとなっており、これを具備するインバータ等は小型化された車両や狭隘な車載空間への搭載に好適である。また、ハウジングと冷却器とは熱圧着されることで接続強度も十分に確保でき、しかも接着部にボイドが生じ難いことから絶縁不良に起因するパワーモジュールの焼損といった課題も解消される。

以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールの製造方法によれば、接着剤塗布工程、接着剤硬化工程、さらにはボルト締結工程を不要にでき、ハウジングと冷却器の接続部におけるボイドの発生やエアーパス形成によるパワーモジュールの絶縁不良とこれに起因する焼損を効果的に抑止でき、可及的に小体格のパワーモジュールを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の製造方法によって製造されたパワーモジュールを模式的に示した縦断面図であり、図２は図２ａ、図２ｂの順に本発明の製造方法を説明したフロー図である。

このパワーモジュール１０は、アルミニウム製もしくは銅製のヒートシンク板２１および冷媒還流器２２からなる冷却器２の上面に熱可塑性樹脂からなるハウジング１の接続下端１１が熱圧着にて固定され、ハウジング１の内部の冷却器２上には所定数の回路ユニット７が載置固定され、ハウジング１内に封止樹脂体３が形成されてなるものである。ここで、回路ユニット７は、純アルミニウム板５１，５３の間に窒化アルミニウム板５２が介在されてなる絶縁基板５と、絶縁基板５の上面にはんだ層６１を介して半導体素子４が固定され、絶縁基板５の下面ははんだ層６２を介して冷却器２に載置固定されている。なお、回路ユニット同士を繋ぐ金属配線やリード端子の図示は省略している。

冷却器２を構成する冷媒還流器２２にはたとえば蛇行流路が形成されており、図示する冷水Ｗをはじめとして、冷風や冷油などの冷媒が流れるようになっている。

封止樹脂体３は、たとえば、シリコーンゲルをはじめ、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などの樹脂素材からなり、その放熱性をより高めるためには、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーを樹脂に混合した材料にて形成されるのが好ましい。

ハウジング１は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を図示のごとくたとえば所定の筒状にインサート成形することができる。ハウジング１が熱可塑性樹脂から成形されていることで、ハウジング１の接続下端１１を加熱溶融させ、所定の押圧力にてハウジング１を冷却器２に押し付けることで容易に熱圧着することができる。

冷却器２を構成するヒートシンク板２１の上面の少なくとも接続箇所は、面粗度：Ｒａが０．１〜１０μｍの範囲の凹凸面２１ａが形成されている。冷却器２の上面の面粗度をこの範囲に設定しておくことで、従来の接着剤以上の接続強度を確保することができる。なお、後述するように、面粗度：Ｒａを１．６μｍ程度に調整しておくことで、接続強度の最も大きなハウジング−冷却器間の接続部を具備するパワーモジュールが得られる。

次に、パワーモジュール１０の製造方法のうち、特に冷却器２（ヒートシンク板２１）とハウジング１の接続方法を図２に基づいて説明する。

まず、冷却器２を構成する銅製のヒートシンク板２１の表面のうち、少なくともハウジング１の接続下端１１が接続される箇所に凹凸面２１ａが形成されたヒートシンク板２１を用意する。なお、一つの実施例として、当該凹凸面２１ａの表面粗度：Ｒａを０．４μｍに調整する。

さらに、ＰＰＳ製のハウジング１と、下型ＳＫと上型ＵＫを用意する。ここで、ＰＰＳの融点は２８５℃である。

下型ＳＫをハウジング１の融点以上の３００℃に加熱し、この状態で図２ａに示すように、下型ＳＫ上にヒートシンク２１を載置し、ヒートシンク２１上にハウジング１を載置し、ハウジング１の上端を上型ＵＫにて下方に押圧する。ハウジング１の高さが所定の高さとなるまで押圧することにより、図２ｂで示すように、ハウジング１の接続下端１１は下型ＳＫからヒートシンク２１を介して伝熱された熱によって加熱溶融され、ハウジング１の接続下端１１がヒートシンク２１の表面に熱圧着される。

なお、上記作業は真空容器もしくは真空室内でおこなわれるのが好ましく、この場合には、上型ＵＫの押圧をシリンダユニット機構やロボットハンドなどの適宜のマニピュレータにて実行するのがよい。真空雰囲気下にてハウジング１と冷却器２との熱圧着がおこなわれることで、接続部におけるボイドの発生等が効果的に解消され、さらには凹凸面２１ａへの溶融した接続下端１１の浸透が促進される。

ハウジング１の下端が冷やされて固化し、ヒートシンク２１と強固に接続されたら、ハウジング１内に所定数の回路ユニット７をはんだ層を介して固定し、ハウジング１内に封止樹脂を充填／硬化させて封止樹脂体３が形成されることでパワーモジュール１０が製造される。

[ハウジングと冷却器との間の接着強度を評価するための引張試験とその結果]
本発明者等は、図３ａで示すように、表面粗度が異なる複数のヒートシンクのテストピース片Ｔ１と、ハウジングをモデル化したＰＰＳ製のテストピース片Ｔ２をそれぞれ製作し、テストピース片Ｔ１の端部表面に形成した凹凸面Ｔ１ａにテストピース片Ｔ２を熱圧着させてテストピースを作成し、図３ｂで示すようにテストピースごとに引張試験を実施して接着部の破断強度を測定した。

測定結果を以下の表１および図４に示す。なお、同表において、凹凸面Ｔ１ａの面粗度：Ｒａが０．１〜１０μｍの範囲のテストピースを実施例とし、この範囲を外れるテストピースを比較例としている。また、引張試験は、各面粗度ごとに３つのテストピースを製作しておこない、その平均を求めて図４にプロットしている。

図４に示すグラフにおいて、従来構造の接着剤による場合の接続強度を２．０ＭＰａ程度とし、閾ラインＳとして示している。

表１および図４より、面粗度：Ｒａが０．１μｍ付近で閾ラインＳ程度の接着強度となり、面粗度が１．６μｍでピーク値を有し、１．６μｍ以上で漸減し、面粗度：Ｒａが１０μｍ付近で閾ラインＳ付近の接着強度となることが特定された。

この実験結果より、接着剤によってハウジングと冷却器が固定される従来構造の接続強度を確保できる冷却器表面の面粗度は０．１〜１０μｍの範囲となる。また、面粗度が１．６μｍ付近で４ＭＰａ以上となり、接着剤による場合の２倍以上の接着強度を期待することができる。

これは、かかる数値範囲の面粗度の凹凸面とすることで、加熱溶融したハウジング下端の凹凸面への浸透が十分におこなわれ、アンカー効果が発揮されるためであると結論付けることができる。

なお、従来の接続構造のごとく、接着剤とボルト締結を併用した接続方法によれば、ボルトのせん断強度を見込むことで非常に高い接着強度が得られるものの、既述するように、ボルト締結されることでパワーモジュールの小型化を図れず、製造工数の増加に繋がるという大きなデメリットが存在している。本願発明は、接着強度の確保のみならず、これらの問題も同時に解消できる点で極めて大きな効果を奏するものである。

上記する製造方法によれば、ハウジングと冷却器との接続強度が十分に確保されたパワーモジュールを、可及的に安価に製造することができる。さらには、従来に比してパワーモジュールの小型化を図ることができる。このパワーモジュールは、搭載機器に高耐久性とより安価な製造コストを要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の製造方法によって製造されたパワーモジュールを模式的に示した縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）の順に本発明の製造方法を説明したフロー図である。 接着強度を評価するための引張試験を示した図であって、（ａ）はテストピースを熱圧着する前の状態を示した図であり、（ｂ）は熱圧着されたテストピースの引張試験の状況を説明した図である。 冷却器（ヒートシンク板）表面の面粗度と接着強度に関する実験結果を示したグラフである。 従来の製造方法によって製造されたパワーモジュールを模式的に示した縦断面図である。

符号の説明

１…ハウジング、１１…接続下端、２…冷却器、２１…ヒートシンク板、２１ａ…凹凸面、２２…冷媒還流器、３…封止樹脂体、４…半導体素子、５…絶縁基板（ＤＢＡ）、５１、５３…純アルミニウム板、５２…窒化アルミニウム板、６１，６２…はんだ層、７…回路ユニット、１０…パワーモジュール

Claims (4)

1. 絶縁基板と半導体素子とからなる回路ユニットが冷却器上に載置固定され、該冷却器上で該回路ユニットを囲繞するハウジングが載置固定され、該ハウジング内に封止樹脂体が形成されてなるパワーモジュールの製造方法において、
   前記ハウジングと前記冷却器との固定が熱圧着によるものである、パワーモジュールの製造方法。
2. 前記ハウジングが熱可塑性樹脂からなり、加熱溶融された該ハウジングの固定部位が前記冷却器に熱圧着される、請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。
3. 前記熱圧着が真空雰囲気下にておこなわれる、請求項１または２に記載のパワーモジュールの製造方法。
4. 少なくとも前記冷却器におけるハウジング固定部位の面粗度（Ｒａ）が０．１〜１０．０μｍの範囲に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。

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