JP2010161188A - Power module and power semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module capable of attaining a smaller size and a smaller weight with high productivity, and a power semiconductor device. <P>SOLUTION: The power module 101 includes at least a pair of metal blocks 112-1 and 112-2 having a height equal to the thickness of the power module 101. Each radiation surface 112a of each metal block is exposed to a side surface of the power module. A semiconductor element 111 for power is held between respective element holding surfaces 112b along the thickness direction of the power module in the metal blocks. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電力用半導体素子を有するパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置に関する。   The present invention relates to a power module having a power semiconductor element and a power semiconductor device including the power module.

一般的なパワー半導体装置は、一個の冷却器に、一個もしくは複数のパワーモジュールを、熱伝導グリスを介してネジ固定する構成を有する。また、小型軽量化を追求したパワー半導体装置としては、日本国特許第４０１６９０７号等に開示されるものが一例として挙げられる。該特許では、水冷冷却器をパワーモジュールの両面に配置してスタックすることで冷却器の両面を利用し、小型軽量化を図るものである。   A general power semiconductor device has a configuration in which one or a plurality of power modules are fixed to a single cooler with heat conduction grease. Moreover, as a power semiconductor device pursuing a reduction in size and weight, one disclosed in Japanese Patent No. 4016907 and the like can be cited as an example. In this patent, a water-cooled cooler is arranged on both sides of a power module and stacked to utilize both sides of the cooler, thereby reducing the size and weight.

特許第４０１６９０７号Patent No. 4016907

しかしながら、上記特許文献１に開示される半導体モジュールでは、特許文献１の図４に示されるように、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっている。このような半導体モジュールは、トランスファモールド工法で製造されるが、封止に用いる樹脂は、１００気圧程度の圧力で金型内に送り込まれる。よって、例えば１０μｍ程度以上の隙間があれば樹脂の染み出しが発生する。このような染み出しが上記電極放熱板の露出部に発生し、いわゆる樹脂バリを形成した場合には、樹脂の熱伝導率が金属の数百分の一程度であることから、上記電極放熱板の放熱性は極端に低下する。   However, the semiconductor module disclosed in Patent Document 1 has a structure in which an IGBT element is sandwiched between a pair of electrode heat dissipation plates, as shown in FIG. Such a semiconductor module is manufactured by a transfer mold method, and the resin used for sealing is fed into the mold at a pressure of about 100 atm. Therefore, for example, if there is a gap of about 10 μm or more, the resin oozes out. When such an exudation occurs in the exposed portion of the electrode heat sink and a so-called resin burr is formed, the heat conductivity of the resin is about one hundredth of that of the metal. The heat dissipation is extremely reduced.

封止の際には、上型及び下型のそれぞれが上記一対の電極放熱板のそれぞれに接触して樹脂封止が行われるが、上記隙間の発生を防止するため、上型及び下型に対して数十から数百トンの加圧力が作用される。一方、上述のように上記半導体モジュールは、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっていることから、上記加圧力は、直接に上記ＩＧＢＴ素子に作用する。その結果、ＩＧＢＴ素子が破損する可能性がある。一方、破損防止のため加圧力を低下させると、上記樹脂バリの発生の可能性が生じてしまう。
このように従来の半導体モジュールでは、生産性が悪いという問題があった。 At the time of sealing, each of the upper mold and the lower mold comes into contact with each of the pair of electrode heat dissipation plates, and resin sealing is performed. In order to prevent the generation of the gap, the upper mold and the lower mold are separated. On the other hand, a pressing force of several tens to several hundred tons is applied. On the other hand, since the semiconductor module has a structure in which the IGBT element is sandwiched between a pair of electrode heat sinks as described above, the applied pressure directly acts on the IGBT element. As a result, the IGBT element may be damaged. On the other hand, if the applied pressure is reduced to prevent breakage, there is a possibility that the resin burrs are generated.
As described above, the conventional semiconductor module has a problem of poor productivity.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、生産性が高く、小型軽量化が実現可能なパワーモジュール及びパワー半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a power module and a power semiconductor device that are highly productive and can be reduced in size and weight.

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワーモジュールは、動作により発熱する電力用半導体素子を内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記２つの側面にそれぞれ露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
In other words, the power module according to one aspect of the present invention is a power module that includes a power semiconductor element that generates heat by operation and has a thickness defined by two opposing side surfaces, and has the same height as the above thickness. And at least a pair of metal blocks each having a heat dissipation surface exposed and opposed to each of the two side surfaces, and an element holding surface perpendicular to the heat dissipation surface, the pair of metal blocks having the element holding surfaces opposed to each other. The power semiconductor element is sandwiched and held between the element holding surfaces.

本発明の一態様におけるパワーモジュールによれば、パワーモジュールの厚みと同じ高さを有する少なくとも一対の金属ブロックを備え、各金属ブロックの放熱面は、パワーモジュールの側面に露出する。また、電力用半導体素子は、各金属ブロックにおけるパワーモジュールの厚み方向に沿う素子保持面間に挟んで保持される。よって、電力用半導体素子は、２つの放熱面へ放熱が可能であり、電力用半導体素子の放熱性を向上させることができる。さらに、このように放熱性が向上することで、従来のような大型部品である冷却器は不要となる。よって、パワー半導体装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。   According to the power module in one aspect of the present invention, the power module includes at least a pair of metal blocks having the same height as the thickness of the power module, and the heat dissipation surface of each metal block is exposed to the side surface of the power module. Further, the power semiconductor element is held between element holding surfaces along the thickness direction of the power module in each metal block. Therefore, the power semiconductor element can dissipate heat to the two heat dissipating surfaces, and the heat dissipating property of the power semiconductor element can be improved. Furthermore, since the heat dissipation is improved in this way, a cooler that is a large component as in the prior art becomes unnecessary. Therefore, it is possible to reduce the size and weight of the power semiconductor device.

さらに、パワーモジュールをトランスファモールド工法にて作製する場合、金型は各金属ブロックの放熱面に接触し、金型押さえ圧力は、各金属ブロックに作用し、放熱面に垂直に位置する素子保持面間に挟んで保持される電力用半導体素子に直接作用することは無い。したがって電力用半導体素子の破壊、及びいわゆる樹脂バリは、発生せず、安定してパワーモジュールの生産が可能である。よって、従来に比べて生産性の向上を図ることができる。   Furthermore, when the power module is manufactured by the transfer mold method, the mold comes into contact with the heat radiating surface of each metal block, and the mold holding pressure acts on each metal block, and the element holding surface positioned perpendicular to the heat radiating surface There is no direct effect on the power semiconductor element held between them. Therefore, destruction of the power semiconductor element and so-called resin burrs do not occur, and the power module can be produced stably. Therefore, productivity can be improved as compared with the conventional case.

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 1 of this invention. 図１に示すパワーモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 図１に示すパワーモジュールの斜視図であり、金属ブロックを透視した状態を示す図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 1, and is a figure which shows the state which saw through the metal block. 本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 3 of this invention. 図４に示すパワーモジュールの斜視図であり、金属ブロックを透視した状態を示す図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 4, and is a figure which shows the state which saw through the metal block. 図４に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power semiconductor device provided with the power module shown in FIG. 本発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 4 of this invention. 図７に示すパワーモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 5 of this invention. 図９に示すパワーモジュールの斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of the power module shown in FIG. 9. 図９に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power semiconductor device provided with the power module shown in FIG. 本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 6 of this invention. 図１２の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態７におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態８におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power module in Embodiment 8 of this invention. 図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the power module shown in FIG. 図１６に示すパワーモジュールの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the power module shown in FIG. 図１６に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power semiconductor device provided with the power module shown in FIG. 複数のパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power semiconductor device provided with the several power module. 図２１Ａに示すパワーモジュールの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the power module shown to FIG. 21A.

本発明の実施形態であるパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。   A power module according to an embodiment of the present invention and a power semiconductor device including the power module will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.

実施の形態１．
本実施の形態１におけるパワーモジュールの一例の断面図を図１に示し、また、その斜視図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。本実施形態におけるパワーモジュール１０１は、基本的構成部分として、パワー素子１１１と、それぞれ同形状にてなる一対の金属ブロック１１２−１，１１２−２とを備え、対向する２つの側面に相当する第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにて規定される厚みｔを有する。厚みｔは、一例として２ｍｍから１０ｍｍ程度が適当である。
尚、後述の実施形態にて説明するように、金属ブロック１１２−１，１１２−２対の数は、一対に限定するものではない。 Embodiment 1 FIG.
A cross-sectional view of an example of the power module in the first embodiment is shown in FIG. 1, and perspective views thereof are shown in FIGS. 2A and 2B. The power module 101 according to the present embodiment includes a power element 111 and a pair of metal blocks 112-1 and 112-2 having the same shape as basic components, and corresponds to two opposing side surfaces. It has a thickness t defined by the first main surface 101a and the second main surface 101b. The thickness t is suitably about 2 mm to 10 mm as an example.
In addition, as will be described in an embodiment described later, the number of the metal blocks 112-1 and 112-2 is not limited to a pair.

金属ブロック１１２−１，１１２−２は、アルミニウムや銅などの、熱伝導率及び導電性の高い材料が用いられ、本実施形態では、それぞれ同形状で、図２Ａ及び図２Ｂに示すような直方体形状にてなる。このような金属ブロック１１２−１，１１２−２のそれぞれは、当該パワーモジュール１０１の上記第１主面１０１ａ及び上記第２主面１０１ｂに露出し対向する放熱面１１２ａ、１１２ａと、上記厚みｔと同じ高さを有し放熱面１１２ａに垂直な一つの素子保持面１１２ｂとを有する。尚、各金属ブロック１１２−１，１１２−２において、それぞれの放熱面１１２ａは、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂと面一となる。又、放熱面１１２ａからの放熱効果を高めるため、放熱面１１２ａの面積は、素子保持面１１２ｂの面積よりも大きいのが好ましい。つまり図２Ｂに示すように、各金属ブロック１１２−１，１１２−２は、図示の奥行き方向つまりパワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに細長い直方体形状である。   The metal blocks 112-1 and 112-2 are made of a material having high thermal conductivity and conductivity such as aluminum and copper. In this embodiment, the metal blocks 112-1 and 112-2 have the same shape and a rectangular parallelepiped as shown in FIGS. The shape. Each of the metal blocks 112-1 and 112-2 includes heat dissipation surfaces 112a and 112a exposed and opposed to the first main surface 101a and the second main surface 101b of the power module 101, and the thickness t. And one element holding surface 112b having the same height and perpendicular to the heat radiating surface 112a. In each of the metal blocks 112-1 and 112-2, the heat radiating surface 112 a is flush with the first main surface 101 a and the second main surface 101 b of the power module 101. In order to enhance the heat dissipation effect from the heat dissipation surface 112a, the area of the heat dissipation surface 112a is preferably larger than the area of the element holding surface 112b. That is, as shown in FIG. 2B, each of the metal blocks 112-1 and 112-2 has a rectangular parallelepiped shape elongated in the illustrated depth direction, that is, the length direction 101 c of the power module 101.

このような２つの金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２は、図１等に示すように、互いの素子保持面１１２ｂを対向させて配置され、２つの素子保持面１１２ｂの間に導電層１１３を介してパワー素子１１１を保持する。ここで、２つの素子保持面１１２ｂ間の隙間１１２ｃは、金属ブロック１１２−１と、金属ブロック１１２−２との電気的絶縁を確保するための距離であり、必要な耐電圧特性に合わせて設定される。   As shown in FIG. 1 and the like, the two metal blocks 112-1 and 112-2 are arranged with their element holding surfaces 112b facing each other, and a conductive layer is provided between the two element holding surfaces 112b. The power element 111 is held via 113. Here, the gap 112c between the two element holding surfaces 112b is a distance for ensuring electrical insulation between the metal block 112-1 and the metal block 112-2, and is set in accordance with a required withstand voltage characteristic. Is done.

パワー素子１１１は、その材質として、ＳｉやＧａＡｓ、ＳｉＣなどが用いられて作製され、動作により発熱するＩＧＢＴのような電力用半導体素子であり、そのサイズは、例えば一辺が５〜２０ｍｍ程度、厚み０．１〜１ｍｍ程度である。パワー素子１１１からの放熱性を高めるためには、パワー素子１１１を長方形状とし、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂに平行な辺を、垂直な辺よりも長く構成するのが好ましい。上述したように、金属ブロック１１２−１，１１２−２を、パワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに細長く形成することは、これに対応したものである。   The power element 111 is a power semiconductor element such as an IGBT which is manufactured using Si, GaAs, SiC, or the like as a material and generates heat by operation. The size of the power element 111 is, for example, about 5 to 20 mm on a side. It is about 0.1-1 mm. In order to improve the heat dissipation from the power element 111, the power element 111 is rectangular, and the sides parallel to the first main surface 101a and the second main surface 101b of the power module 101 are configured to be longer than the vertical sides. Is preferred. As described above, forming the metal blocks 112-1 and 112-2 to be elongated in the length direction 101 c of the power module 101 corresponds to this.

このようなパワー素子１１１の、互いに対向する第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂには、それぞれ電極が形成されている。これらの電極の内、一方もしくは両方は、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂの少なくとも一方の縁端部に、耐電圧性を確保するために、導電層１１３と接しない絶縁領域１１１ｃを設けている。本実施形態では、図示するように第２主面１１１ｂのみに絶縁領域１１１ｃを設けているが、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂにおける各縁端部に絶縁領域１１１ｃを設けてもよい。パワー素子１１１のその他の電極は、それぞれ導電層１１３を介して金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２と電気的に接続される。   Electrodes are formed on the first main surface 111a and the second main surface 111b of the power element 111 facing each other. One or both of these electrodes has an insulating region 111c that is not in contact with the conductive layer 113 in order to ensure voltage resistance at the edge of at least one of the first main surface 111a and the second main surface 111b. Provided. In the present embodiment, as shown in the drawing, the insulating region 111c is provided only on the second main surface 111b. However, the insulating region 111c may be provided at each edge of the first main surface 111a and the second main surface 111b. . The other electrodes of the power element 111 are electrically connected to the metal block 112-1 and the metal block 112-2 through the conductive layer 113, respectively.

導電層１１３として、半田、導電性接着剤などが用いられる。導電層１１３の厚みは、例えば１０μｍから１ｍｍ程度である。導電層１１３の厚みは、薄いほうが放熱性が高まり好ましい。しかしながら、パワー素子１１１の素材と金属ブロック１１２−１，１１２−２の素材との線膨張係数が倍以上異なる構成の場合、パワー素子１１１に熱応力が発生する。よってこのような構成では、弾性率がパワー素子１１１及び金属ブロック１１２−１，１１２−２よりも低い導電層１１３を用いることで、上記熱応力を低減することができる。このような場合、導電層１１３の厚みは大きいほど好ましい。   As the conductive layer 113, solder, a conductive adhesive, or the like is used. The thickness of the conductive layer 113 is, for example, about 10 μm to 1 mm. A thinner conductive layer 113 is preferable because heat dissipation is improved. However, when the linear expansion coefficient of the power element 111 and the metal blocks 112-1 and 112-2 are different from each other by a factor of two or more, thermal stress is generated in the power element 111. Therefore, in such a configuration, the thermal stress can be reduced by using the conductive layer 113 whose elastic modulus is lower than that of the power element 111 and the metal blocks 112-1 and 112-2. In such a case, the thickness of the conductive layer 113 is preferably as large as possible.

上述のように配置、構成された、パワー素子１１１及び導電層１１３を含む金属ブロック１１２−１，１１２−２は、封止樹脂１１４にてモールドされる。該モールドにより、パワーモジュール１０１の筐体が形成される。又モールドに際し、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａは、上述したように、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂとそれぞれ同一面を形成し、第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにそれぞれ露出する。   The metal blocks 112-1 and 112-2 including the power element 111 and the conductive layer 113 arranged and configured as described above are molded with the sealing resin 114. The casing of the power module 101 is formed by the mold. In the molding process, the heat radiation surfaces 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2 are formed on the same surface as the first main surface 101a and the second main surface 101b of the power module 101, as described above. It is exposed to the surface 101a and the second main surface 101b.

封止樹脂１１４は、熱硬化型樹脂が一般的に用いられ、シリカフィラー入りのエポキシ樹脂が通常用いられる。封止樹脂１１４について、絶縁性が高く、耐熱性がある樹脂であれば上述の樹脂に限らないのは言うまでもない。
もちろん金属ブロック１１２−１、１１２−２は、本実施形態のような直方体に限定されるものではなく、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂに露出するおよそ平行な放熱面１１２ａを有せばよく、直方体に限定されるものではない。例えば放熱面に投影したときの形状が平行四辺形や台形形状や凹凸形状でもよく、その場合には、封止樹脂１１４との接着面積が増大するので密着性が増すなどの効果が更に得られる。 As the sealing resin 114, a thermosetting resin is generally used, and an epoxy resin containing a silica filler is usually used. Needless to say, the sealing resin 114 is not limited to the above-described resin as long as it has high insulating properties and heat resistance.
Of course, the metal blocks 112-1 and 112-2 are not limited to the rectangular parallelepiped as in this embodiment, but are approximately parallel heat radiation surfaces exposed on the first main surface 101 a and the second main surface 101 b of the power module 101. 112a may be provided and is not limited to a rectangular parallelepiped. For example, the shape projected onto the heat radiating surface may be a parallelogram, trapezoid, or concavo-convex shape. In this case, the adhesion area with the sealing resin 114 is increased, so that the effect of increasing the adhesion is further obtained. .

以上のような構成を有するパワーモジュール１０１における封止樹脂１１４による封止方法について説明する。
一般的に、熱硬化型樹脂を封止に用いる工法は、トランスファモールドという名称で広く半導体装置の封止技術として用いられている。この工法の特徴は、上金型、下金型にキャビティとよばれる凹み部があり、該凹み部に封止する部材を入れた状態で、熱硬化型樹脂を加圧注入し、樹脂硬化後に成型物を取り出すものである。このプロセスでは、溶融した樹脂の粘度は、水に近い程度に低く、例えば０．１ｍｍ以下の隙間でさえ樹脂は、通過してしまう。よって、金型同士は、高い面精度で作製する必要があり、数十から数百ｔという高い加圧力で金型を押し付けあうことで隙間をなくし、初めて加工が可能となる。 A sealing method using the sealing resin 114 in the power module 101 having the above configuration will be described.
In general, a method of using a thermosetting resin for sealing is widely used as a sealing technique for semiconductor devices under the name of transfer mold. The feature of this method is that the upper mold and the lower mold have dents called cavities, and a thermosetting resin is injected under pressure with a sealing member in the dent, and after the resin is cured The molded product is taken out. In this process, the viscosity of the molten resin is as low as that of water. For example, the resin passes even through a gap of 0.1 mm or less. Therefore, it is necessary to manufacture the molds with high surface accuracy. By pressing the molds with a high pressurizing force of several tens to several hundreds t, the gap is eliminated, and processing becomes possible for the first time.

このようなトランスファモールド工法の場合、金型押さえ圧力が直接パワー素子にかかる従来の構造では、パワー素子の破壊が問題となる。
これに対し本実施形態における構造では、上述のように金属ブロック１１２−１、１１２−２のそれぞれの厚みは、パワーモジュール１０１の厚みｔを規定し、つまり厚みｔに同じである。よって、樹脂封止を行いパワーモジュール１０１の厚さｔを規定する上金型及び下金型に、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａを接触させ、かつ金属ブロック１１２−１、１１２−２を上金型及び下金型にて挟むことで、上金型と下金型とが型締めされたときの厚さｔと、金属ブロック１１２−１、１１２−２の厚さｔとは同一となる。よって、金属ブロック１１２−１，１１２−２は、金型押さえ圧力を受け止めることができる。 In the case of such a transfer mold method, destruction of the power element becomes a problem in the conventional structure in which the mold pressing pressure is directly applied to the power element.
On the other hand, in the structure in the present embodiment, as described above, the thickness of each of the metal blocks 112-1 and 112-2 defines the thickness t of the power module 101, that is, the same as the thickness t. Therefore, the heat radiation surface 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2 is brought into contact with the upper mold and the lower mold that define the thickness t of the power module 101 by resin sealing, and the metal blocks 112-1, By sandwiching 112-2 between the upper mold and the lower mold, the thickness t when the upper mold and the lower mold are clamped and the thickness t of the metal blocks 112-1, 112-2 Is the same. Therefore, the metal blocks 112-1 and 112-2 can receive the mold pressing pressure.

さらに、金型の型締め方向に相当する、パワーモジュール１０１の厚さｔの厚み方向１０１ｄに平行な素子保持面１１２ｂ、１１２ｂの間にパワー素子１１１を保持している。よって、金型の型締めの際にもパワー素子１１１には金型押さえ圧力は、作用しない。
したがってパワー素子１１１の破壊は、発生せず、パワーモジュール１０１の安定した生産が可能であり、生産性の向上を図ることができる。 Furthermore, the power element 111 is held between the element holding surfaces 112b and 112b parallel to the thickness direction 101d of the thickness t of the power module 101, which corresponds to the mold clamping direction of the mold. Therefore, the mold pressing pressure does not act on the power element 111 even when the mold is clamped.
Therefore, destruction of the power element 111 does not occur, stable production of the power module 101 is possible, and productivity can be improved.

又、上述のように、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａは、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにそれぞれ露出する。また、パワー素子１１１は、導電層１１３を介して金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２に接続されている。よって、パワー素子１１１から発生した熱は、金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２の両方に伝導し、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂの両面から放熱を行うことができ、放熱性は向上している。又、パワー素子１１１の第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂに形成されている電極とそれぞれ電気的に接続された金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２は、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂのいずれにも存在する。よって、パワーモジュール１０１に対する配線を容易に行うことができるという効果がある。   Further, as described above, the heat radiation surfaces 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2 are exposed to the first main surface 101a and the second main surface 101b of the power module 101, respectively. The power element 111 is connected to the metal block 112-1 and the metal block 112-2 through the conductive layer 113. Therefore, heat generated from the power element 111 is conducted to both the metal block 112-1 and the metal block 112-2, and heat is radiated from both the first main surface 101a and the second main surface 101b of the power module 101. The heat dissipation is improved. The metal block 112-1 and the metal block 112-2 that are electrically connected to the electrodes formed on the first main surface 111a and the second main surface 111b of the power element 111, respectively, It exists on both the main surface 101a and the second main surface 101b. Therefore, there is an effect that wiring to the power module 101 can be easily performed.

実施の形態２．
図３には、上述した実施の形態１のパワーモジュール１０１を備えた、本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置１０２が示されている。
パワー半導体装置１０２は、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１を厚み方向１０１ｄから冷却器１２０、１２０で挟んだ構造である。即ち、パワーモジュール１０１における第１主面１０１ａには、金属ブロック１１２−１，１１２−２に形成した電極（不図示）に電気的にそれぞれ接続される配線部材１２２が設けられる。配線部材１２２は、当該パワーモジュール１０１と外部との導通路を形成する。このような配線部材１２２、及びパワーモジュール１０１における第２主面１０１ｂには、それぞれ絶縁層１２１が形成される。さらにこれらの絶縁層１２１を介して厚み方向１０１ｄから冷却器１２０、１２０が設けられている。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 shows a power semiconductor device 102 according to the second embodiment of the present invention that includes the power module 101 according to the first embodiment.
The power semiconductor device 102 has a structure in which the power module 101 according to the first embodiment is sandwiched between the coolers 120 and 120 from the thickness direction 101d. That is, on the first main surface 101a of the power module 101, wiring members 122 that are electrically connected to electrodes (not shown) formed on the metal blocks 112-1 and 112-2 are provided. The wiring member 122 forms a conduction path between the power module 101 and the outside. An insulating layer 121 is formed on each of the wiring member 122 and the second main surface 101 b of the power module 101. Furthermore, coolers 120 and 120 are provided from the thickness direction 101d through these insulating layers 121.

このような構成を有するパワー半導体装置１０２によれば、金属ブロック１１２−１，１１２−２の放熱面１１２ａにそれぞれ対向して冷却器１２０を設けたことから、パワー素子１１１からの熱抵抗を低減でき、かつ装置の小型化を図ることが可能となる。   According to the power semiconductor device 102 having such a configuration, the cooler 120 is provided so as to face the heat radiation surfaces 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2, so that the thermal resistance from the power element 111 is reduced. And the size of the apparatus can be reduced.

尚、さらに加圧手段（不図示）を用いて厚み方向１０１ｄから冷却器１２０とパワーモジュール１０１との密着性を高めるように構成してもよい。又、例えば接着性の絶縁層１２１を用いて、冷却器１２０とパワーモジュール１０１とを密着させてもよい。このように密着性の向上を図ることで、パワーモジュール１０１の放熱性をさらに向上させることができる。   In addition, you may comprise so that the adhesiveness of the cooler 120 and the power module 101 may be improved from the thickness direction 101d using a pressurization means (not shown). Further, for example, the cooler 120 and the power module 101 may be brought into close contact with each other by using an adhesive insulating layer 121. Thus, by improving adhesiveness, the heat dissipation of the power module 101 can be further improved.

さらにまた、半田付け可能なメタライズを付与したセラミック基板などの絶縁層１２１を用い、パワーモジュール１０１、配線部材１２２、及び冷却器１２０と、絶縁層１２１とを半田付けにて接続するようにしてもよい。このように構成することで、パワー半導体装置１０２の取り扱い性が向上し、また、パワーモジュール１０１と冷却器１２０との保持力に変動が生じず安定した放熱性を得ることができる。   Furthermore, the insulating layer 121 such as a ceramic substrate provided with solderable metallization is used, and the power module 101, the wiring member 122, the cooler 120, and the insulating layer 121 are connected by soldering. Good. With this configuration, the handling of the power semiconductor device 102 can be improved, and a stable heat dissipation property can be obtained without any change in the holding force between the power module 101 and the cooler 120.

実施の形態３．
図４及び図５には、本発明の実施の形態３におけるパワーモジュール１０３が示されている。
パワーモジュール１０３は、上述した実施の形態１のパワーモジュール１０１に外部端子に相当する主端子１２５を設けた構成である。よって、パワーモジュール１０１に関する構成部分については、ここでの説明を省略する。以下では、パワーモジュール１０１との相違部分である主端子１２５についてのみ説明を行う。 Embodiment 3 FIG.
4 and 5 show power module 103 according to Embodiment 3 of the present invention.
The power module 103 has a configuration in which a main terminal 125 corresponding to an external terminal is provided in the power module 101 of the first embodiment described above. Therefore, the description of the components related to the power module 101 is omitted here. Hereinafter, only the main terminal 125 that is different from the power module 101 will be described.

主端子１２５は、ＣｕやＡｌ，Ｆｅなどの導電性のある金属からなる短冊形状であり、その厚みは、例えば０．３ｍｍから１ｍｍ程度が実用的である。このような主端子１２５は、金属ブロック１１２−１，１１２−２における放熱面１１２ａ、素子保持面１１２ｂ以外の側面に対応する端子形成面１１２ｄ、１１２ｄにそれぞれ立設される。尚、本実施形態では、金属ブロック１１２−１，１１２−２において、パワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに直交する側面を端子形成面１１２ｄ、１１２ｄとしている。   The main terminal 125 has a strip shape made of a conductive metal such as Cu, Al, or Fe, and its thickness is practically about 0.3 mm to 1 mm, for example. Such main terminals 125 are erected on terminal forming surfaces 112d and 112d corresponding to side surfaces other than the heat radiation surface 112a and the element holding surface 112b in the metal blocks 112-1 and 112-2, respectively. In the present embodiment, in the metal blocks 112-1 and 112-2, side surfaces orthogonal to the length direction 101c of the power module 101 are defined as terminal forming surfaces 112d and 112d.

主端子１２５と端子形成面１１２ｄとの固着方法としては、レーザ溶接などの高エネルギ密度の接合手段を用いることができる。又、主端子１２５、１２５における、端子形成面１１２ｄとの固着端部近傍は封止樹脂１１４による封止工程にて封止されるが、先端部を含めてその他の部分は、パワーモジュール１０３の筐体表面から外部へ突出する。   As a method for fixing the main terminal 125 and the terminal forming surface 112d, high energy density joining means such as laser welding can be used. Further, the vicinity of the fixed end of the main terminals 125, 125 and the terminal forming surface 112d is sealed by the sealing process with the sealing resin 114, but the other parts including the tip are not included in the power module 103. Projects from the housing surface to the outside.

このように構成されるパワーモジュール１０３では、上述したパワー半導体装置１０２とは異なり、金属ブロック１１２−１，１１２−２の放熱面１１２ａが露出したパワーモジュールの主面に、配線部材１２２を構成する必要はなくなる。よって、図６に示すように、パワーモジュール１０３を用いてパワー半導体装置１０３−１を構成する場合には、パワーモジュール１０３における第１主面１０１ａに対しても直接に絶縁層１２１を配置することが可能となる。よって、第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂと、冷却器１２０、１２０との間の熱抵抗を最小限にすることができる。したがって、実施の形態２の構成に比べて放熱性をより高めることができ、かつパワー半導体装置の小型化が可能である。   In the power module 103 configured as described above, unlike the power semiconductor device 102 described above, the wiring member 122 is configured on the main surface of the power module where the heat radiation surface 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2 is exposed. There is no need. Therefore, as illustrated in FIG. 6, when the power semiconductor device 103-1 is configured using the power module 103, the insulating layer 121 is directly disposed also on the first main surface 101 a in the power module 103. Is possible. Therefore, the thermal resistance between the first main surface 101a and the second main surface 101b and the coolers 120 and 120 can be minimized. Therefore, heat dissipation can be further improved as compared with the configuration of the second embodiment, and the power semiconductor device can be reduced in size.

実施の形態４．
図７及び図８には、本発明の実施の形態４におけるパワーモジュール１０４が示されている。パワーモジュール１０４は、上述の実施の形態３におけるパワーモジュール１０３の放熱面１１２ａを含む第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂを覆って絶縁層１３０を設けた構成を有する。絶縁層１３０の表面は、当該パワーモジュール１０４における第１主面１０４ａ及び第２主面１０４ｂを形成する。 Embodiment 4 FIG.
7 and 8 show a power module 104 according to Embodiment 4 of the present invention. The power module 104 has a configuration in which an insulating layer 130 is provided so as to cover the first main surface 101a and the second main surface 101b including the heat dissipation surface 112a of the power module 103 in the above-described third embodiment. The surface of the insulating layer 130 forms a first main surface 104 a and a second main surface 104 b in the power module 104.

このような絶縁層１３０として、セラミック板や絶縁樹脂などが挙げられる。セラミック板として、例えばアルミナや窒化アルミニウム、炭化珪素等の素材が挙げられ、このようなセラミック板は、放熱性と絶縁性とを兼ね備えた材料として有効である。又、絶縁層１３０の厚みは、例えば０．３ｍｍ程度から１ｍｍ程度のものが利用可能である。   Examples of such an insulating layer 130 include a ceramic plate and an insulating resin. Examples of the ceramic plate include materials such as alumina, aluminum nitride, and silicon carbide. Such a ceramic plate is effective as a material having both heat dissipation and insulation properties. Further, the insulating layer 130 having a thickness of, for example, about 0.3 mm to about 1 mm can be used.

又、絶縁層１３０として、例えばＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、ＭｏＭｎなどの金属微粉末をガラスと一緒に練りこんだ印刷ペーストを所定箇所に印刷供給し、加熱炉で焼成することで、メタセラ基板と呼ばれる、はんだ付可能なセラミック板を用いることもできる。このようなセラミック板を用いることで、パワーモジュール１０４に内蔵される金属ブロック１１２−１，１１２−２と絶縁層１３０とを半田にて固定することが可能となる。   Further, as the insulating layer 130, for example, a printing paste obtained by kneading a fine metal powder of AgPd, AgPt, MoMn or the like together with glass is supplied to a predetermined place, and is baked in a heating furnace. An attachable ceramic plate can also be used. By using such a ceramic plate, the metal blocks 112-1 and 112-2 built in the power module 104 and the insulating layer 130 can be fixed with solder.

パワーモジュール１０４に備わるパワーモジュール１０３では、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。さらに、絶縁層１３０を設けたパワーモジュール１０４によれば、パワーモジュール１０４の反りを低減できるという効果が得られる。
即ち、セラミックの線膨張係数は１０ｐｐｍ／℃以下であるのに対して、銅は１８ｐｐｍ／℃、アルミニウムは２３ｐｐｍ／℃であり、両者間には大きな隔たりがある。よって、バイメタル効果により、一般的には、パワー素子の発熱に応じてパワーモジュールには反りが発生する。 The power module 103 included in the power module 104 can achieve the above-described effect that the power module 101 according to the first embodiment has a stable production without causing destruction of the power element 111. Furthermore, according to the power module 104 provided with the insulating layer 130, an effect that warpage of the power module 104 can be reduced is obtained.
That is, the coefficient of linear expansion of ceramic is 10 ppm / ° C. or less, whereas that of copper is 18 ppm / ° C. and aluminum is 23 ppm / ° C., and there is a large gap between them. Therefore, the power module generally warps due to the heat generated by the power element due to the bimetal effect.

これに対し、本実施形態のパワーモジュール１０４では、厚み方向１０１ｄに直交する両側面に、およそ均等に絶縁層１３０を備えたことで、反りを低減できる。一般的には、パワーモジュールの反りが大きくなると、冷却器とパワーモジュールとの固着界面に隙間が生じ、熱抵抗が増大するという不具合が生じるため、パワーモジュールの動作温度をあまり大きくできないという課題がある。しかしながら、本実施形態のパワーモジュール１０４では、パワー素子１１１をパワーモジュール１０４のおよそ中心部に配置し、かつパワー素子１１１から見て上下の厚みをほぼ均等にできる。このため、パワー素子１１１からの放熱経路の温度分布が上下でほぼ対称にでき、結果、バランスが取れているので、パワーモジュール１０４の反りを低減できる。例えばパワー素子１１１が片方の主面に偏っていると、温度分布がつき、パワー素子１１１に近い側の主面と反対側の主面との温度が異なってくるため、反りが発生しやすくなる。このようにパワー素子１１１をパワーモジュール１０４の中心付近に配置することで、反りを低減できる。このため動作温度を高くしても反りにより隙間ができる、などの不具合が発生せず、動作温度を高くしても放熱性を維持できる。   On the other hand, in the power module 104 of the present embodiment, the warpage can be reduced by providing the insulating layers 130 on both side surfaces orthogonal to the thickness direction 101d approximately evenly. In general, when the warpage of the power module increases, a gap occurs in the fixing interface between the cooler and the power module, resulting in a problem that the thermal resistance increases. Therefore, there is a problem that the operating temperature of the power module cannot be increased too much. is there. However, in the power module 104 according to the present embodiment, the power element 111 can be disposed at approximately the center of the power module 104, and the upper and lower thicknesses as viewed from the power element 111 can be made substantially uniform. For this reason, the temperature distribution of the heat dissipation path from the power element 111 can be made substantially symmetrical up and down, and as a result, the balance is achieved, so that the warpage of the power module 104 can be reduced. For example, if the power element 111 is biased to one main surface, a temperature distribution is generated, and the temperatures of the main surface close to the power element 111 and the main surface on the opposite side are different, so that warpage is likely to occur. . By arranging the power element 111 in the vicinity of the center of the power module 104 in this way, warpage can be reduced. For this reason, even if the operating temperature is raised, there is no problem such as a gap being formed by warping, and heat dissipation can be maintained even if the operating temperature is raised.

又、本実施形態のパワーモジュール１０４のように、絶縁層１３０の内蔵化により、対となる金属ブロック１１２−１，１１２−２の各素子保持面１１２ｂ、１１２ｂ間の隙間１１２ｃに溝などを形成せずとも、金属ブロック１１２−１と金属ブロック１１２−２との絶縁距離を確保できるという特徴がある。したがって、パワーモジュール１０４に備わるパワーモジュール１０３における放熱面１１２ａの利用率を向上させることができる。
又、本実施形態においてもパワーモジュール１０３は、図５に示す構成と同様に、主端子１２５を金属ブロック１１２−１、１１２−２の側面１１２ｄに固着している。よって、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａには、絶縁層１３０のみを配することができ、簡便かつ最大限に放熱性を高めることができる。 Further, like the power module 104 of the present embodiment, by incorporating the insulating layer 130, a groove or the like is formed in the gap 112c between the element holding surfaces 112b and 112b of the pair of metal blocks 112-1 and 112-2. Even if it does not, there exists the characteristic that the insulation distance of the metal block 112-1 and the metal block 112-2 is securable. Therefore, the utilization factor of the heat radiating surface 112a in the power module 103 included in the power module 104 can be improved.
Also in this embodiment, the power module 103 has the main terminal 125 fixed to the side surface 112d of the metal blocks 112-1 and 112-2 in the same manner as the configuration shown in FIG. Therefore, only the insulating layer 130 can be disposed on the heat radiating surface 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2, and the heat dissipation can be improved easily and maximally.

実施の形態５．
図９及び図１０には、本発明の実施の形態５におけるパワーモジュール１０５が示されている。
パワーモジュール１０５では、実施の形態３にて説明したように作製されたパワーモジュール１０３に対して、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａ、１１２ａに絶縁層１３５，１３５を設け、さらに絶縁層１３５を覆って保護層１４０，１４０を設けた構造を有する。保護層１４０の表面は、当該パワーモジュール１０５における第１主面１０５ａ及び第２主面１０５ｂを形成する。尚、本実施形態におけるパワーモジュール１０５は、上述の実施形態４におけるパワーモジュール１０４に保護層１４０をさらに設けた構成に類似するが、パワーモジュール１０４に備わる絶縁層１３０に代えて絶縁層１３５を有する。 Embodiment 5 FIG.
9 and 10 show a power module 105 according to Embodiment 5 of the present invention.
In the power module 105, the insulating layers 135 and 135 are provided on the heat radiation surfaces 112a and 112a of the metal blocks 112-1 and 112-2 with respect to the power module 103 manufactured as described in the third embodiment. The insulating layer 135 is covered and protective layers 140 and 140 are provided. The surface of the protective layer 140 forms a first main surface 105 a and a second main surface 105 b in the power module 105. The power module 105 in the present embodiment is similar to the configuration in which the power module 104 in the fourth embodiment is further provided with a protective layer 140, but has an insulating layer 135 instead of the insulating layer 130 provided in the power module 104. .

絶縁層１３５は、本実施形態では、エポキシ系の熱硬化樹脂に、ＢＮ，ＡｌＮ，アルミナ、シリカなどの絶縁性フィラーを含有した、熱伝導率が数〜数十Ｗ／ｍＫの絶縁材料が実用化可能である。このような絶縁材料は、ロールｔｏロールタイプの生産設備で製造できるため、生産性が高いという利点がある。即ち、原料を混ぜて、ＰＥＴフィルムのようなシート材料上に供給し、巻き取りながら、一定の間隙のローラーを通すことで、一定膜厚の絶縁層を形成し、所定の形状にカットし、接着することで絶縁層を構成可能である。   In this embodiment, the insulating layer 135 is made of an epoxy-based thermosetting resin containing an insulating filler such as BN, AlN, alumina, silica, and the like, and an insulating material having a thermal conductivity of several to several tens W / mK is practical. Is possible. Since such an insulating material can be manufactured with a roll-to-roll type production facility, it has an advantage of high productivity. That is, the raw materials are mixed, supplied onto a sheet material such as a PET film, and rolled up, passed through a roller with a constant gap, to form an insulating layer with a constant film thickness, cut into a predetermined shape, An insulating layer can be formed by bonding.

一方、上述のような絶縁材料は、湿気にさらされると絶縁性が低下するという問題を有する。これに対し本実施形態のパワーモジュール１０５では、上記問題を解決するために、絶縁層１３５がパワーモジュールの主面に露出しないように、絶縁層１３５を覆い保護層１４０を設けた。保護層１４０として、本実施形態では、例えば銅箔やステンレス箔、アルミ箔などが使用可能である。   On the other hand, the insulating material as described above has a problem that the insulating property is lowered when exposed to moisture. On the other hand, in the power module 105 of the present embodiment, in order to solve the above problem, the protective layer 140 is provided so as to cover the insulating layer 135 so that the insulating layer 135 is not exposed on the main surface of the power module. In the present embodiment, for example, a copper foil, a stainless steel foil, an aluminum foil, or the like can be used as the protective layer 140.

上述のような構成を有する本実施形態のパワーモジュール１０５によれば、パワーモジュール１０５に備わるパワーモジュール１０３では、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。さらに、保護層１４０を設けたことで、絶縁層１３５への水分の浸入を防止することができる。したがって、例えば屋外のような湿度が不安定な過酷な環境においても、本実施形態のパワーモジュール１０５は、高い絶縁性を保証することができ、高い耐久性を実現可能である。   According to the power module 105 of the present embodiment having the above-described configuration, the power module 103 included in the power module 105 is stable without causing the destruction of the power element 111 included in the power module 101 of the first embodiment. The above-described effect that production is possible can be achieved. Further, by providing the protective layer 140, moisture can be prevented from entering the insulating layer 135. Therefore, the power module 105 of the present embodiment can guarantee high insulation and can achieve high durability even in harsh environments where the humidity is unstable, such as outdoors.

又、図１１は、本実施形態のパワーモジュール１０５を用いたパワー半導体装置１０５−１を示している。上述したように絶縁層１３５は、パワーモジュール１０５に内蔵されているため、パワーモジュール１０５と冷却器１２０とを当接させることでパワー半導体装置１０５−１が構成可能である。したがって、構造が簡素化されるという効果が得られる。又、金属ブロック１１２−１，１１２−２は、外界には露出していないため、絶縁距離などの制約も非常に小さくなり、設計の自由度を向上させることができる。   FIG. 11 shows a power semiconductor device 105-1 using the power module 105 of this embodiment. As described above, since the insulating layer 135 is built in the power module 105, the power semiconductor device 105-1 can be configured by bringing the power module 105 and the cooler 120 into contact with each other. Therefore, the effect that the structure is simplified can be obtained. Further, since the metal blocks 112-1 and 112-2 are not exposed to the outside world, restrictions such as an insulation distance are extremely reduced, and the degree of freedom in design can be improved.

実施の形態６
図１２から図１４には、本発明の実施の形態６におけるパワーモジュール１０６が示されている。
上述した各実施形態のパワーモジュールでは、一つのパワーモジュールにパワー素子１１１が一つ備わる場合を示しているが、本実施形態では複数のパワー素子を有する構成を示している。図１２は、本実施形態のパワーモジュール１０６の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール１０６の高さ（厚み）方向に相当する。パワーモジュール１０６においても、一対となる２つの金属ブロック１５０−１、１５０−２を有する。ここで、金属ブロック１５０−１、１５０−２は、上述の金属ブロック１１２−１，１１２−２に対応する部材であり、対向して位置する放熱面１５０ａをそれぞれ有するとともに、放熱面１５０ａに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２を有する。素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２の間には、本実施形態では２つのパワー素子１１１−１、１１１−２が導電層１１３（図１３）を介して保持されている。又、金属ブロック１１２−１，１１２−２の端子形成面１１２ｄに対応する、金属ブロック１５０−１、１５０−２の端子形成面１５０ｄには、主端子１２５が突設されている。 Embodiment 6
12 to 14 show power module 106 according to the sixth embodiment of the present invention.
In the power module of each embodiment described above, a case where one power element 111 is provided in one power module is shown, but in this embodiment, a configuration having a plurality of power elements is shown. FIG. 12 is a plan view of the power module 106 of the present embodiment, and the direction perpendicular to the paper surface corresponds to the height (thickness) direction of the power module 106. The power module 106 also has a pair of two metal blocks 150-1 and 150-2. Here, the metal blocks 150-1 and 150-2 are members corresponding to the above-described metal blocks 112-1 and 112-2, and each have a heat radiation surface 150 a located opposite to each other and perpendicular to the heat radiation surface 150 a. The element holding surfaces 150b-1 and 150b-2 are positioned in parallel with the height direction. In the present embodiment, two power elements 111-1 and 111-2 are held between the element holding surfaces 150b-1 and 150b-2 via the conductive layer 113 (FIG. 13). A main terminal 125 projects from the terminal forming surface 150d of the metal blocks 150-1 and 150-2 corresponding to the terminal forming surface 112d of the metal blocks 112-1 and 112-2.

本実施形態では、２つのパワー素子１１１−１、１１１−２は、異種のものであり、また、厚みを異にする。パワー素子１１１−１、１１１−２の厚みの相違に対応するため、図示するように、本実施形態では金属ブロック１５０−１の素子保持面１５０ｂ−１には、段差１５２を設けている。このように金属ブロック１５０−１に段差１５２を設けることで、厚みの異なるパワー素子１１１を同一モジュール内に収納可能となり、パワー半導体装置の小型化を図ることができる。   In the present embodiment, the two power elements 111-1 and 111-2 are of different types and have different thicknesses. In order to cope with the difference in thickness between the power elements 111-1 and 111-2, in the present embodiment, a step 152 is provided on the element holding surface 150 b-1 of the metal block 150-1 as illustrated. Thus, by providing the level | step difference 152 in the metal block 150-1, the power element 111 from which thickness differs can be accommodated in the same module, and size reduction of a power semiconductor device can be achieved.

又、パワー素子１１１−１、１１１−２が異種のため、一方のパワー素子１１１−１には、制御端子１５１が接続され、パワー素子１１１−１の電極と制御端子１５１とは電気的に導通路が形成されている。図１３には、制御端子１５１部分の拡大断面図を示す。制御端子１５１は、パワー素子１１１−１の制御用電極と導電層１５３を介して固定される。尚、制御端子１５１は、細長い部材であり、金属ブロック１５０−１には、制御端子１５１を外部へ導くための溝１５４が形成されている。該溝１５４には、絶縁層１５５が設けられ、金属ブロック１５０−１と制御端子１５１との電気的絶縁が図られている。尚、溝１５４を最小限の大きさにとどめることで、放熱性を損なわずにパワー半導体装置を構成可能となる。このような制御端子１５１を備えることで、様々な回路構成に対応可能となる。   Further, since the power elements 111-1 and 111-2 are different, the control terminal 151 is connected to one power element 111-1, and the electrode of the power element 111-1 and the control terminal 151 are electrically conductive. A passage is formed. FIG. 13 shows an enlarged cross-sectional view of the control terminal 151 portion. The control terminal 151 is fixed via the control electrode of the power element 111-1 and the conductive layer 153. The control terminal 151 is an elongated member, and the metal block 150-1 has a groove 154 for guiding the control terminal 151 to the outside. The groove 154 is provided with an insulating layer 155 so that electrical insulation between the metal block 150-1 and the control terminal 151 is achieved. By keeping the groove 154 to a minimum size, a power semiconductor device can be configured without impairing heat dissipation. By providing such a control terminal 151, various circuit configurations can be supported.

図１４には、金属ブロック１５０−１の素子保持面１５０ｂ−１を透視した状態を図示する。尚、図示の上下方向が、パワーモジュール１０６の高さ（厚み）方向１０６ｄに相当する。図示のように、パワー素子１１１−１の端部かつ辺の中央付近に制御端子１５１を設けることで、放熱経路が溝１５４を通る距離を最小限にでき、熱抵抗への影響を最小限にすることができる。即ち、溝１５４部分では、放熱の断面積が溝１５４の深さ分、少なくなるが、パワー素子１１１−１の発熱は、面状の分布発熱であるので、放熱経路としてはパワー素子１１１−１の中央部の発熱のみが、溝１５４の影響を受け、パワーモジュール１０６の主面に近づくほど影響は低くなる。よって、溝１５４は、パワー素子１１１−１の中央部に配置することで、溝１５４による熱抵抗への影響を最小限にとどめることができる。   FIG. 14 illustrates a state in which the element holding surface 150b-1 of the metal block 150-1 is seen through. The vertical direction shown in the figure corresponds to the height (thickness) direction 106 d of the power module 106. As shown in the figure, by providing the control terminal 151 near the end of the power element 111-1 and the center of the side, the distance that the heat dissipation path passes through the groove 154 can be minimized, and the influence on the thermal resistance is minimized. can do. That is, in the groove 154 portion, the cross-sectional area of heat dissipation is reduced by the depth of the groove 154, but the heat generation of the power element 111-1 is planar distributed heat generation. Only the heat generated in the central part of the power source is affected by the groove 154, and the effect becomes lower as the power module 106 is closer to the main surface. Therefore, by arranging the groove 154 at the center of the power element 111-1, the influence of the groove 154 on the thermal resistance can be minimized.

又、図１４に示すように、パワーモジュール１０６においてもパワーモジュール１０５の構成と同様に、金属ブロック１５０−１、１５０−２の放熱面１５０ａ、１５０ａに絶縁層１３５，１３５を設け、さらに絶縁層１３５を覆って保護層１４０，１４０を設けた構造を有する。保護層１４０の表面は、当該パワーモジュール１０６における第１主面１０６ａ及び第２主面１０６ｂを形成する。   As shown in FIG. 14, in the power module 106, as in the configuration of the power module 105, insulating layers 135 and 135 are provided on the heat radiation surfaces 150 a and 150 a of the metal blocks 150-1 and 150-2. 135 has a structure in which protective layers 140 and 140 are provided. The surface of the protective layer 140 forms a first main surface 106 a and a second main surface 106 b in the power module 106.

上述のような構成を有する本実施形態のパワーモジュール１０６においても、金属ブロック１１２−１，１１２−２の場合と同様に、金属ブロック１５０−１、１５０−２の素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２の間にパワー素子１１１−１、１１１−２を保持していることから、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。   Also in the power module 106 of the present embodiment having the above-described configuration, the element holding surfaces 150b-1 and 150b of the metal blocks 150-1 and 150-2 are the same as in the case of the metal blocks 112-1 and 112-2. Since the power elements 111-1 and 111-2 are held between -2, the power module 101 according to the first embodiment has a stable production without destruction of the power element 111. The above-mentioned effect can be achieved.

実施の形態７
本実施形態では、パワーモジュールが複数のパワー素子を備える場合における金属ブロックの他の形状例を示している。即ち、図１５は、本実施形態のパワーモジュール１０７の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール１０７の高さ（厚み）方向に相当する。パワーモジュール１０７においても、一対となる２つの金属ブロック１６０−１、１６０−２を有する。ここで、金属ブロック１６０−１、１６０−２は、上述の金属ブロック１１２−１，１１２−２に対応する部材であり、対向して位置する放熱面１６０ａをそれぞれ有するとともに、放熱面１６０ａに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面１６０ｂ、１６０ｂを有する。本実施形態において素子保持面１６０ｂ、１６０ｂは、図示するような階段状の形状にてなる。このような素子保持面１６０ｂ、１６０ｂの間には、本実施形態では２つのパワー素子１１１−１、１１１−２が導電層（不図示）を介して保持されている。
パワーモジュール１０７におけるその他の構成部分は、上述の各実施形態のいずれかにおける構成を用いることができ、ここでの説明及び図示を省略する。 Embodiment 7
In the present embodiment, another shape example of the metal block in the case where the power module includes a plurality of power elements is shown. That is, FIG. 15 shows a plan view of the power module 107 of this embodiment, and the direction perpendicular to the paper surface corresponds to the height (thickness) direction of the power module 107. The power module 107 also has a pair of two metal blocks 160-1 and 160-2. Here, the metal blocks 160-1 and 160-2 are members corresponding to the above-described metal blocks 112-1 and 112-2, each having a heat radiating surface 160 a positioned opposite to each other and perpendicular to the heat radiating surface 160 a. And element holding surfaces 160b and 160b positioned in parallel with the height direction. In the present embodiment, the element holding surfaces 160b and 160b have a stepped shape as illustrated. In the present embodiment, two power elements 111-1 and 111-2 are held between the element holding surfaces 160 b and 160 b via conductive layers (not shown).
The other components in the power module 107 can use the configurations in any of the above-described embodiments, and the description and illustration thereof are omitted here.

パワーモジュール１０７においても、上述の各実施形態と同様に、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。
又、本実施形態のように、パワー素子１１１−１，１１１−２をずらして配置することで、パワー素子間の熱干渉を抑制できる。よって熱抵抗が下がり、パワー半導体装置としての底面積を更に抑制可能である。 Also in the power module 107, as in each of the above-described embodiments, the power module 101 according to the first embodiment has the above-described effect that the power element 111 is not broken and can be stably produced. Can do.
Moreover, the thermal interference between power elements can be suppressed by shifting and arrange | positioning the power elements 111-1 and 111-2 like this embodiment. Accordingly, the thermal resistance is lowered, and the bottom area of the power semiconductor device can be further suppressed.

実施の形態８
図１６から図１９には、本発明の実施の形態８におけるパワーモジュール１０８が示されている。本実施形態のパワーモジュール１０８は、図９及び図１０を参照して説明した本発明の実施の形態５におけるパワーモジュール１０５に対して、さらに金属ブロック１１２−３を追加しパワー素子１１１−２を追加した構成を有する。又、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、２つのパワー素子１１１−１，１１１−２をそれぞれ制御するための制御端子１５１−１，１５１−２が主端子１２５とは反対側に引き出されている。尚、図１８Ａ及び図１８Ｂでは、封止樹脂１１４の図示を省略している。図１９には、本実施形態のパワーモジュール１０８の回路構成を示す。図示のようなハーフブリッジ回路が一つのパワーモジュール１０８中に内蔵されている。 Embodiment 8
16 to 19 show power module 108 according to the eighth embodiment of the present invention. The power module 108 according to the present embodiment further includes a metal block 112-3 and a power element 111-2 with respect to the power module 105 according to the fifth embodiment of the present invention described with reference to FIGS. It has an added configuration. Further, as shown in FIGS. 18A and 18B, control terminals 151-1 and 151-2 for controlling the two power elements 111-1 and 111-2 are drawn out to the opposite side of the main terminal 125, respectively. Yes. 18A and 18B, illustration of the sealing resin 114 is omitted. FIG. 19 shows a circuit configuration of the power module 108 of the present embodiment. A half-bridge circuit as shown is built in one power module 108.

このように、金属ブロック１１２−１〜１１２−３の各放熱面１１２ａに垂直な各素子保持面１１２ｂにパワー素子１１１−１，１１１−２を搭載したことで、複雑な構成のパワー素子を一つのパワーモジュールの中に搭載可能である。   As described above, the power elements 111-1 and 111-2 are mounted on the element holding surfaces 112b perpendicular to the heat radiating surfaces 112a of the metal blocks 112-1 to 112-3. It can be installed in two power modules.

又、パワーモジュール１０８を用いてパワー半導体装置を構成した状態を図２０に示す。複数の相を別のモジュールとするよりも、一個の樹脂筐体に内包した方が、全体として小型化できる。このような構成において、パワー素子１１１−１，１１１−２間の熱干渉が問題となるのは、熱抵抗の大きなパッケージの場合であって、本実施形態のような極めて低い熱抵抗の場合には、放熱面１１２ａと平行な方向への熱の広がりはほとんどなく、熱は直線的に伝達される傾向が強い。即ち、パワー素子１１１−１，１１１−２間の距離を短くしても熱干渉による悪影響が低いといえる。このような構成においては、パワー半導体装置の小型化においては、絶縁距離やパッケージを構成する上での肉厚などが支配的になる傾向が強い。本実施形態のように熱は垂直に、電流は水平に伝達することで、極めてコンパクトなパワー半導体装置を構成することが可能である。   FIG. 20 shows a state in which a power semiconductor device is configured using the power module 108. Rather than using a plurality of phases as separate modules, the overall size can be reduced by enclosing them in a single resin casing. In such a configuration, the thermal interference between the power elements 111-1 and 111-2 becomes a problem in the case of a package having a large thermal resistance and in the case of an extremely low thermal resistance as in this embodiment. There is almost no spread of heat in the direction parallel to the heat radiating surface 112a, and the heat tends to be transmitted linearly. That is, even if the distance between the power elements 111-1 and 111-2 is shortened, it can be said that the adverse effect due to thermal interference is low. In such a configuration, in miniaturization of the power semiconductor device, there is a strong tendency that the insulation distance, the thickness of the package, and the like are dominant. As in this embodiment, heat is transmitted vertically and current is transmitted horizontally, so that a very compact power semiconductor device can be configured.

また、図２１Ａ及び図２１Ｂに示す半導体装置１１０は、上側冷却器１２０−１、下側冷却器１２０−２、３個のパワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃ、出力バスバー１１０ａ、及びＰＮバスバー１１０ｂを備えている。
各パワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃからは、Ｐ端子１０９ｂ、出力端子１０９ａ、Ｎ端子１０９ｃ、及び制御端子が外部に引き出されて配置されている。一対の冷却器１２０−１，１２０−２に挟まれた空間内に、３個のパワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃが配列され、Ｐ端子１０９ｂ、出力端子１０９ａ、及びＮ端子１０９ｃは、電力用半導体装置１１０の側面に近接して引き出されている。そして出力バスバー１１０ａ及びＰＮバスバー１１０ｂから露出した電極と、パワーモジュール１０９Ａ〜１０９ＣのＰ端子１０９ｂ、Ｎ端子１０９ｃ及び出力端子１０９ａとを、例えば溶接やはんだ付などで接合する。ＰＮバスバー１１０ｂ及び出力バスバー１１０ａは、図示しない外部接続電極と結合されており、モータや電源と結合される。また、制御端子には、図示しない制御基板と例えばコネクタやスルーホールはんだ付などで電気的に結合される。 The semiconductor device 110 shown in FIGS. 21A and 21B includes an upper cooler 120-1, a lower cooler 120-2, three power modules 109A to 109C, an output bus bar 110a, and a PN bus bar 110b. .
From each of the power modules 109A to 109C, a P terminal 109b, an output terminal 109a, an N terminal 109c, and a control terminal are drawn out and arranged. Three power modules 109A to 109C are arranged in a space sandwiched between the pair of coolers 120-1 and 120-2, and the P terminal 109b, the output terminal 109a, and the N terminal 109c are included in the power semiconductor device 110. Pulled out close to the side. The electrodes exposed from the output bus bar 110a and the PN bus bar 110b are joined to the P terminal 109b, the N terminal 109c, and the output terminal 109a of the power modules 109A to 109C by, for example, welding or soldering. The PN bus bar 110b and the output bus bar 110a are coupled to an external connection electrode (not shown), and are coupled to a motor and a power source. The control terminal is electrically coupled to a control board (not shown) by, for example, a connector or through-hole soldering.

このようにして、６個のスイッチを一体化した、モータ駆動用電力用半導体装置を構成している。尚、この例ではモータ駆動用のインバータ回路を示したが、同様に４スイッチで溶接用インバータを構成するなど、様々なバリエーションに適用可能である。
このように本実施形態によればパワー半導体装置が小型軽量化できる。 In this manner, a motor driving power semiconductor device in which six switches are integrated is configured. In this example, the inverter circuit for driving the motor is shown. However, the present invention can be applied to various variations, for example, a welding inverter is configured with four switches.
Thus, according to the present embodiment, the power semiconductor device can be reduced in size and weight.

１０１ パワーモジュール、１０２ パワー半導体装置、
１０３〜１０８ パワーモジュール、１１１ パワー素子、
１１２−１，１１２−２ 金属ブロック、１１２ａ 放熱面、
１１２ｂ 素子保持面、１２０ 冷却器、１２５ 主端子、
１３０，１３５ 絶縁層、１４０ 保護層、１５１ 制御端子。 101 power module, 102 power semiconductor device,
103-108 power module, 111 power element,
112-1, 112-2 metal block, 112a heat dissipation surface,
112b Element holding surface, 120 cooler, 125 main terminal,
130,135 Insulating layer, 140 Protective layer, 151 Control terminal.

Claims (5)

動作により発熱する電力用半導体素子を内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、
上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記２つの側面にそれぞれ露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、
上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持される、ことを特徴とするパワーモジュール。 A power module containing a power semiconductor element that generates heat by operation and having a thickness defined by two opposing side surfaces,
At least a pair of metal blocks having the same height as the thickness and having a heat dissipation surface exposed and opposed to the two side surfaces and an element holding surface perpendicular to the heat dissipation surface,
The power module, wherein the pair of metal blocks are arranged with the element holding surfaces facing each other, and the power semiconductor element is held between the element holding faces. 上記金属ブロックにおいて上記放熱面及び上記素子保持面以外の端子形成面に固定される外部端子をさらに備えた、請求項１記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, further comprising an external terminal fixed to a terminal forming surface other than the heat dissipation surface and the element holding surface in the metal block. 上記放熱面が露出した上記側面を覆う絶縁層をさらに備えた、請求項１又は２記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, further comprising an insulating layer covering the side surface where the heat radiating surface is exposed. 上記放熱面が露出した上記側面を覆う絶縁層と、該絶縁層を覆う保護層とをさらに備えた、請求項１又は２記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, further comprising an insulating layer that covers the side surface where the heat dissipation surface is exposed, and a protective layer that covers the insulating layer. 請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュールを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。   A power semiconductor device comprising the power module according to claim 1.
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