JP2012074425A

JP2012074425A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2012074425A
Application number: JP2010216312A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tanaka; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】本発明は、パワーモジュールの放熱性能を低下させずに実装密度を高めることを目的とする。
【解決手段】パワーモジュール１０は、基板１２、基板１２に埋め込まれた熱伝導部材１４、熱伝導部材１４に実装された第１の電子部品１６、基板１２に実装された第２の電子部品１８ａ、１８ｂ、熱伝導部材１４に取り付けられた放熱器２０を備える。熱伝導部材１４は、第４平面３０を第２平面２４から基板１２の外側に突出させている。第２平面２４と放熱器２０とが離れ、第２平面２４に第２の電子部品１８ａ、１８ｂを実装できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板にパワー半導体などの電子部品を実装したパワーモジュールに関するものである。

従来、放熱性を向上させるために、様々なパワーモジュールが提案されている。例えば、図５（ａ）のパワーモジュール１００ａは、基板１２の第１平面２２にヒートスプレッダ１０２を介してパワー半導体１０４が実装されている。ヒートスプレッダ１０２は、基板１２のサーマルビア１０６が設けられた位置に配置される。図５（ｂ）のパワーモジュール１００ｂは、基板１２にヒートスプレッダ１０８を貫通させ、ヒートスプレッダ１０８の上にパワー半導体１０４が実装されている。

いずれのパワーモジュール１００ａ、１００ｂも、基板１２の第２平面２４に絶縁層４０を介して放熱器２０が取り付けられている。放熱器２０はアルミニウムの押し出し成形で製造されており、板状部４２とその板状部４２の片面に垂直になるように設けられた放熱フィン４４から構成される。板状部４２の放熱フィン４４の無い面を基板１２に取り付けている。また、パワー半導体１０４以外の電子部品は第１平面２２に実装される。

上記のように基板１２の第２平面２４に板状部４２を取り付けるため、基板１２の第２平面２４に電子部品を実装することはできない。基板１２の第１平面２２にのみ電子部品を実装するため、実装密度を上げにくい。第１平面２２にのみ電子部品を実装するための配線パターン３４を形成するため、配線パターン３４に制約が生じる。電子部品のリードを第１平面２２から第２平面２４に突出させる場合、放熱器２０にリードを配置するための加工が必要になる。

下記の特許文献１に、放熱器１１０の板状部１１２の一部に突出部１１６を設ける加工をおこない、基板１２の第２平面２４にも電子部品１８ａを実装したパワーモジュール１００ｃが開示されている（図６）。しかし、放熱器１１０の突出部１１６でサーマルビア１０６に接続するため、放熱器１１０の放熱フィン１１４まで熱が伝導しにくく、放熱性能が悪化する。突出部１１６を設ける加工が複雑になれば、製造コストが高くなる。

特開２００９−１５８７９６号公報

本発明は、パワーモジュールの放熱性能を低下させずに実装密度を高めることを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、基板と、基板と一定間隔を有して配置された放熱器と、基板の貫通穴にはめ込まれて、放熱器に接続された熱伝導部材とを備える。また、熱伝導部材には第１の電子部品が実装され、基板には第２の電子部品が実装される。基板と放熱器とが一定間隔を有して離れているため、その間に第２の電子部品を実装することができる。

第１の電子部品の熱は、熱伝導部材を伝導して放熱器に伝わり、放熱される。第２の電子部品は基板の両面に実装することができ、基板の放熱器側であっても、基板と放熱器とが一定間隔を有するため実装できる。また、基板から第２の電子部品のリードが突出しても、基板と放熱器とが一定間隔を有するため、放熱器にリードを配置するための加工をせずにリードを配置することができる。

放熱器よりも熱伝導部材の熱伝導率を高くしている。第１の電子部品の熱を熱伝導率の高い熱伝導部材で効率よく放熱器に伝導して、放熱する。

基板と放熱器との間は、樹脂で封止されている。第２の電子部品を樹脂で封止して、保護する。また、放熱器を固定しやすくする。

熱伝導部材と樹脂との間に空間を設けている。空間によって、熱伝導部材から樹脂を介して第２の電子部品に熱が伝わらないようにする。

熱伝導部材における反突出部側面が、基板の内部に配置されている。基板の表面ではなく内部に配置されることによって、第１の電子部品の高さが低くなる。また、第１の電子部品から放熱器までの距離も短くなる。

第１の電子部品は、パワー半導体である。高発熱の電子部品を直接熱伝導部材に実装し、熱を放熱器に伝導しやすくする。

本発明は、熱伝導部材を基板から突出させており、基板と放熱器との間に空間を形成できたため、基板の両面に電子部品を実装できる。このため、電子部品の高密度実装が可能である。放熱器の板状部まで熱伝導部材によって伝熱するため、放熱性能を下げることはない。

本発明のパワーモジュールの構成を示す図である。図１の上面図であって、（ａ）は熱伝導部材を円形にした図であり、（ｂ）は熱伝導部材を方形にした図である。熱伝導部材と樹脂との間に空間を設けた図である。熱伝導部材の第３平面を基板の内部に配置されるようにした図である。従来のパワーモジュールの構成を示す図であり、（ａ）は基板にサーマルビアを設けた図であり、（ｂ）は基板にヒートスプレッダを貫通させた図である。放熱器を加工した従来のパワーモジュールの構成を示す図である。

本発明のパワーモジュールについて図面を用いて説明する。図面は模式的に示しており、実際の大きさとは異なる場合がある。

図１のパワーモジュール１０は、基板１２、基板１２を貫通するように設けられた熱伝導部材１４、熱伝導部材１４に実装された第１の電子部品１６、基板１２に実装された第２の電子部品１８ａ、１８ｂ、および熱伝導部材１４に取り付けられた放熱器２０を備える。

基板１２は、樹脂基板、セラミック（アルミナ）基板、金属基板などの板体が挙げられる。樹脂基板は、ガラスクロス含浸エポキシ樹脂基板などである。金属基板は、アルミニウムや銅などの金属板の上に絶縁層が設けられたものである。説明では、基板１２の放熱器２０の反対側の面を第１平面２２、放熱器２０側の面を第２平面２４とする。基板１２の各平面２２，２４には、薄膜導体で配線パターン３４が形成されている。

基板１２には、第１平面２２から第２平面２４までを貫通する貫通穴２６が設けられる。この貫通穴２６に熱伝導部材１４がはめ込まれる。熱伝導部材１４を基板１２に固定するために接着剤を使用してもよい。熱伝導部材１４は、柱状または肉厚の板状である。熱伝導部材１４は、第１の電子部品１６の熱を放熱器２０へ伝熱するためのものである。熱伝導部材１４は、銅や銅合金などの熱伝導率の高い材料を使用する。熱伝導部材１４は、少なくとも２つの平面を備えており、第１の電子部品１６が実装される平面を第３平面２８、放熱器２０が取り付けられる平面を第４平面３０とする。

さらに熱伝導部材１４は基板１２の外側に突出させる突出部１４Ｔを有し、第４平面３０を第２平面２４よりも基板１２の外側に突出させている。突出部１４Ｔによって第２平面２４と放熱器２０とが離れ、第２平面２４に第２の電子部品１８ａを実装できるようにする。従来技術で示した引用文献とは異なり、熱伝導部材１４の一部分を基板１２から突出させただけであり、構造が単純である。

熱伝導部材１４の第３平面２８および第４平面３０の形状は円形または方形である（図２）。熱伝導部材１４の形状を円形にした場合、基板１２に貫通穴２６を形成し易く、貫通穴２６に熱伝導部材１４をはめ込む時の方向を考慮する必要もない。また、熱伝導部材１４の形状を方形にした場合、第１の電子部品１６が方形であり、円形の場合よりも放熱性能が高い。これらの熱伝導部材１４は、求められる放熱性能や製造コストにあわせて適宜選択する。

第１の電子部品１６は、パワー半導体などの高発熱の電子部品である。パワー半導体として、インバータに用いられるＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）などが挙げられる。

第１の電子部品１６は、ベアチップや表面実装部品を含む。ベアチップであれば、金属ワイヤ３２やＴＡＢ（tape automated bonding）によって基板１２の配線パターン３４に電気接続して、ベアチップおよび金属ワイヤ３２などを樹脂３６で封止して保護する。表面実装部品であれば、リードや端子を基板１２の配線パターン３４に直接電気接続する。また、第１の電子部品１６は、熱伝導部材１４に対してハンダや接着剤で固定される。

第２の電子部品１８ａ，１８ｂは基板１２の各平面２２，２４に実装される。第２の電子部品１８ａ，１８ｂとしては、ベアチップ、表面実装部品、リード部品が挙げられ、第１の電子部品１６のようには高発熱とはならない非パワー半導体などである。例えば、抵抗、コンデンサ、コイルなどの受動素子、トランジスタやドライバＩＣなどの能動素子が挙げられる。図１では、ベアチップを符号１８ａとし、リード部品を符号１８ｂとして例示している。

ベアチップ（第２の電子部品１８ａ）は、ワイヤボンディング、ＴＡＢ、またはフリップ実装によって配線パターン３４に電気接続される。第２の電子部品が表面実装部品であれば、リードや端子が配線パターン３４に直接電気接続される。第２平面２４と放熱器２０との距離は、第２の電子部品１８ａや金属ワイヤなどが放熱器２２に短絡しない距離である。

また、リード部品（第２の電子部品１８ｂ）を実装する場合、リード３８が基板１２を通過して突出し、配線パターン３４にハンダ付けされる。第１平面２２にリード部品を実装すると、リード３８が第２平面２４から突出するため、リード３８が放熱器２０に短絡しないように、第２平面２４と放熱器２０との距離を取る。第２平面２４と放熱器２０とが離れているため、放熱器２０に対してリード３８を配置するための加工をおこなう必要はない。

なお、ベアチップの第２の電子部品１８ａを第２平面２４に実装し、リード部品の第２の電子部品１８ｂを第１平面２２に実装したが、図１は一例であって、各電子部品１８ａ，１８ｂの実装される面は図１の態様に限定されない。また、図１ではリード３８のある位置に放熱器２０が無いが、リード３８の位置が移動しても放熱器２０にリード３８を配置するための加工は必要ない。

放熱器２０は、絶縁層４０を介して熱伝導部材１４の突出部１４Ｔの先端面、すなわち第４平面３０に取り付けられる。取り付け方法としては、基板１２と放熱器２０とをねじ止めや専用のジグで固定することによって、放熱器２０を熱伝導部材１４に密着させる方法が挙げられる。放熱器２０は、板状部４２および板状部４２の片面に対して垂直に設けられた放熱フィン４４から構成される。熱伝導部材１４を伝導した熱は板状部４２を介して放熱フィン４４で空気中に放熱される。

放熱器２０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を押し出し成形して製造されたものである。放熱器２０の板状部４２は、放熱フィン４４の反対側が第５平面４６となっており、第５平面４６が絶縁層４０を介して第４平面３０に取り付けられ、かつ第２平面２４に対向する。第５平面４６は第４平面３０よりも広くなっている。従来技術と異なり、第５平面４６を突出させる加工をおこなっていない。

銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫであり、アルミニウムの熱伝導率は２３６Ｗ／ｍＫである。熱伝導部材１４は、銅や銅合金などで構成されており、アルミニウムやアルミニウム合金の放熱器２０よりも熱伝導率が高い。図６の従来技術は、放熱器２０の突出部１１６から板状部４２に熱を伝えているため、突出部１１６によって熱伝導を悪化させていた。本発明は、熱伝導率の高い熱伝導部材１４によって板状部４２まで熱を伝えるため、熱伝導を悪化させることはない。

なお、熱伝導部材１４を銅または銅合金、放熱器２０をアルミニウムまたはアルミニウム合金としたが、放熱器２０よりも熱伝導部材１４の熱伝導率が高い組み合わせであれば、他の材料であっても良い。

また、第２平面２４から放熱器２０までを樹脂４８で封止する。樹脂４８としては、エポキシ樹脂を主成分とした樹脂が挙げられる。第２の電子部品１８ａやリード３８の保護になる。樹脂４８によって放熱器２０の熱伝導部材１４への固定が安定する。

以上のように、本発明は熱伝導部材１４を基板１２から突出するように構成したことによって、第２平面２４に第２の電子部品１８ａ，１８ｂが実装できる空間ができた。本発明は基板１２の両面２２，２４に第２の電子部品１８ａ、１８ｂを実装することができ、高密度実装が可能である。放熱器２０の板状部４２まで熱伝導部材１４によって伝熱するため、放熱性能を下げることはない。放熱器２０に突出部１１６を設ける加工はおこなっていず、低コストである。

第２平面２４から放熱器２０まで樹脂４８で封止することに限定されない。第２の電子部品１８ａがベアチップの場合に、ベアチップと金属ワイヤまたはＴＡＢのみを樹脂４８で封止しても良い。また、第２平面２４に取り付けられる第２の電子部品１８ａがベアチップではなく、パッケージングされた表面実装部品であれば、樹脂４８で封止しないことも可能である。

図３のパワーモジュール１０ｂのように、樹脂４８を基板１２から放熱器２０まで封止し、かつ熱伝導部材１４の突出部１４Ｔの外周に樹脂４８を封止せずに空間５０を設けても良い。すなわち、熱伝導部材１４と樹脂４８との間に空間５０を設ける。空間５０によって熱伝導部材１４から樹脂４８に熱を伝導させにくくする。樹脂封止された第２の電子部品１８ａに熱が伝わりにくく、第２の電子部品１８ａの保護になる。

また、第２の電子部品１８ａのみを樹脂４８で封止した場合であっても、樹脂４８が熱伝導部材１４に接しないようにして、第２の電子部品１８ａに熱を伝わりにくくしても良い。

図４のパワーモジュール１０ｃのように、第３平面２８を第１平面２２から第２平面２４までの基板１２の内部に配置しても良い。第３平面２８が第２平面２４に近づくにつれて、第１平面２２に対する第１の電子部品１６の高さが低くなる。第１の電子部品１６がベアチップの場合、ベアチップおよび金属ワイヤ（またはＴＡＢ）を樹脂３６で封止することになるが、金属ワイヤを含めた第１の電子部品１６の高さが低いため、樹脂３６を少なくすることができる。パワーモジュール１０ｃの高さを低くすることができ、パワーモジュール１０ｃを小型化できる。また、第３平面２８が第２平面２４に近づいた分、第３平面２８と第４平面３０との距離が短くなり、熱伝導部材１４の熱抵抗が低くなる。第１の電子部品１６の熱を放熱器２０に伝熱し易く、放熱性能が向上する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。各実施例は独立的または排他的なものに限定されず、組み合わされても良い。

１０、１０ｂ、１０ｃ：パワーモジュール
１２：基板
１４：熱伝導部材
１４Ｔ：熱伝導部材の突出部
１６：第１の電子部品
１８ａ、１８ｂ：第２の電子部品
２０：放熱器
２２：第１平面
２４：第２平面
２６：貫通穴
２８：第３平面
３０：第４平面
３２：金属ワイヤ
３４：配線パターン
３６、４８：樹脂
３８：リード
４０：絶縁層
４２：板状部
４４：放熱フィン
４６：第５平面
５０：空間

Claims

貫通穴が設けられた基板と
前記貫通穴にはめ込まれ、基板から突出する突出部を有する熱伝導部材と、
前記熱伝導部材の反突出部側面に実装された第１の電子部品と、
前記突出部に取り付けられた放熱器と、
前記基板の前記放熱器と対向する側の面に実装され、または当該面からリードが突出するように前記基板の前記放熱器と反対側の面に実装された第２の電子部品と、
を備えたパワーモジュール。
前記放熱器よりも熱伝導部材の熱伝導率が高い請求項１のパワーモジュール。
前記基板と放熱器との間を樹脂で封止した請求項１または２のパワーモジュール。
前記熱伝導部材と樹脂との間に空間を設けた請求項３のパワーモジュール。
前記反突出部側面が、基板の内部に配置された請求項１から４のいずれかのパワーモジュール。
前記第１の電子部品は、パワー半導体である請求項１から５のいずれかのパワーモジュール。