JP2012195492A5

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Publication number: JP2012195492A5
Application number: JP2011059259A
Authority: JP
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2031-03-17

Description

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、小型であっても放熱性が良好であって、なおかつ短絡故障が防止されたパワー半導体モジュール及びその取り付け構造を提供するものである。

この発明に係わるパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子が搭載された第１金属基板と、パワー半導体素子が搭載されていない第２金属基板とを封止した電気絶縁性樹脂パッケージで構成されたパワー半導体モジュールであって、上記第１金属基板のパワー半導体素子搭載面とは反対側である裏面を、上記電気絶縁性樹脂パッケージ外に露出させ放熱面を形成したものである。
また、パワー半導体モジュールの取り付け構造は、パワー半導体モジュールの放熱面を、ヒートシンクに形成した台座面に電気絶縁性接合部材を介して取り付けたものである。

この発明のパワー半導体モジュールによれば、複数の金属基板の内で、少なくともパワー半導体素子の搭載された金属基板は、パワー半導体素子の搭載面とは反対側である裏面が樹脂パッケージの放熱面に露出しており、その他の金属基板は大部分が電気絶縁性樹脂パッケージ内に埋設されているので、高い放熱性を得ることができる。また、その結果として放熱性向上のための放熱面積増大が抑えられるためパワー半導体モジュールを小型化することができる。また、それ以外の金属基板は内部配線などの役割を担っており放熱の必要性が低いため絶縁性の樹脂パッケージ内に埋設されて保護されており、パワー半導体モジュールをヒートシンクに組み付けていく過程の中で金属基板の間をまたいで導電性異物が付着して、短絡故障が引き起こされるリスクを低減することができる。もしも全ての金属基板を放熱面に露出させると前述のリスクを低減するために金属基板同士の間隔を拡大する必要があるが、この発明によれば、その必要がないためパワー半導体モジュールを小型化することができる。

そして、パワー半導体素子１が搭載された第１金属基板は、パワー半導体素子１の搭載面とは反対側である裏面が、樹脂パッケージの放熱面７に露出している（段落番号００１９で詳述）。

次に、第１金属基板２ａのパワー半導体素子搭載面とは反対側である裏面を、樹脂パッケージ３外に露出させる構造について説明する。
同一平面状に横並びに配置された４枚の金属基板２（第１金属基板２ａ、第２金属基板２ｂ）の内、表面にパワー半導体素子１が搭載された第１金属基板２ａは、その裏面の一部が図２に示すように放熱面６を構成するため樹脂パッケージ３の放熱面７側に露出している。すなわち、第１金属基板２ａは、裏面の一部６を露出させるため、樹脂パッケージ３の放熱面７から一段奥まった箇所（第１金属基板埋設箇所）の凹部３ａ内にそれぞれ配置されている。
一方、パワー半導体素子１が搭載されていない第２金属基板２ｂは、凹部３ａ間で放熱面の一部７ａを形成する突出樹脂部３ｂ内に位置し、樹脂パッケージ３内に完全に埋設された状態で外部に露出されていない。

次に、パワー半導体モジュール１００のヒートシンクＨＳへの取り付け構造を、図３に基づいて説明する。
図３において、パワー半導体モジュール１００を組み付ける外部機器のヒートシンクＨＳには，金属基板２ａの放熱面６に対応した２箇所の対向位置に、台座８がそれぞれ設けられており、これら台座８の上面と放熱面６とは電気絶縁性の接合部材９によって接合される。
接合部材９としては、特に指定するものではないが、例えばシリコーン接着剤やシリコーングリス、エポキシ接着剤であり、熱伝導性を高めるためにシリカや窒化ホウ素などのフィラーが混合されている。

このパワー半導体モジュールの取り付け構造によれば、放熱が必要なパワー半導体素子１が搭載された第１金属基板２ａの露出面が、接合部材９を介して直接ヒートシンクＨＳに取り付けられているため高い放熱性を得ることができる。また、その結果として放熱性向上のために放熱面積を拡大する必要がなく放熱面積の増大が抑えられるため、結果的にパワー半導体モジュール１００を小型化することができる。
また、それ以外の金属基板２は、内部配線などの役割を担っており放熱の必要性が低いため電気絶縁性の樹脂パッケージ内に埋設されて保護されており、パワー半導体モジュール１００をヒートシンクＨＳに組み付けていく過程の中で、万が一導電性異物を噛み込んでしまった場合、あるいは金属基板の間をまたいで導電性異物が付着した場合に、回路が短絡故障となるリスクを低減することができる。

ヒートシンクＨＳの材料は、特に指定するものではないが、例えばアルミニウム合金などの金属材料が挙げられる。なおパワー半導体モジュール１００との絶縁性を確実にするために、ヒートシンクＨＳの台座８の上面や側面及び／又はパワー半導体モジュール１００に面する面などには電気絶縁性の表面被膜（図示せず）が形成されていることが望ましい。例えばアルミニウム合金の場合にはアルマイトなどの酸化膜が挙げられる。また、ポリイミドなどの高分子膜を形成しておいてもよい。
このような構造によれば、金属など導電性材料からなるヒートシンクＨＳを用いても、パワー半導体モジュール１００を取り付ける面に電気絶縁性を持たせることができる。
上記のように、ヒートシンクＨＳの少なくともパワー半導体モジュール１００が取り付けられた面に電気絶縁性を持たせることにより、万が一パワー半導体モジュール１００をヒートシンクＨＳに組み付ける際に導電性異物が挟まったとしても、パワー半導体モジュール１００とヒートシンクの間の短絡を防止でき、パワー半導体モジュール１００の短絡故障のリスクをさらに低減することができる。
なお、ヒートシンクＨＳが、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合、パワー半導体モジュール側の放熱面に電気絶縁性を持たせても同様の効果が期待できる。

次に、図４に導電性異物１０が噛み込んだ状態の一例を示す。
導電性異物１０としては、製造装置や金属基板２、ハンダなどから発生する金属くずなどが懸念される。導電性異物１０は、一端が金属基板２ａに接触し他端が金属基板２ｂの真下の樹脂パッケージ下面の放熱面７ａにまで達している。もしも第２金属基板２ｂが放熱面７に露出していれば、導電性異物１０は金属基板２ａと２ｂを短絡してしまうが、第２金属基板２ｂが絶縁材である樹脂パッケージ３の樹脂に覆われているため短絡することがない。また、樹脂パッケージ３に埋設されている第２金属基板２ｂは、放熱面６が露出している第１金属基板２ａの間に挟まれるように配置されているため、放熱面６が露出した２個の第１金属基板２ａ同士の間隔が十分に確保されている。よって余程大きな導電性異物でない限り第１金属基板２ａ間を短絡するようなことはない。また、ヒートシンクＨＳのパワー半導体モジュール１００の取り付け面には、絶縁被膜が形成されているため、導電性異物がパワー半導体モジュール１００とヒートシンクＨＳとの間に噛み込んだとしても、回路短絡を防止することができる。

実施の形態２のパワー半導体モジュール２００は、実施の形態１のパワー半導体モジュール１００に対して、樹脂パッケージ３の内部の構造は基本的には同様であるが、パワー半導体素子１の搭載されていない第２金属基板２ｂが、パワー半導体素子１の搭載された第１金属基板２ａに対して一段下げられたところに配置されている点が異なる。
すなわち、第２金属基板２ｂを第１金属基板２ａから一段ずらせて段違いに配置することにより、第２金属基板２ｂを覆う樹脂パッケージ３の放熱面７ａは、第１金属基板２ａの露出面（第１金属基板の裏面）と同一平面上の外面を有しており、両者の各面を同一平面にそろえることにより放熱面６と一つのつながった領域を形成している。このため放熱面６に対応したヒートシンクＨＳの台座８も一つとなっている。

図７は、実施の形態２の変形例であるパワー半導体モジュール３００を示す斜視図である。
この変形例の放熱面７ａには、第２金属基板２ｂに達するピン穴１１が形成されている。
従って、第２金属基板２ｂは、ピン穴１１の箇所において一部が樹脂パッケージ３から露出している。ピン穴１１を設けることで、パワー半導体モジュール３００を製造する過程のトランスファモールド工程において第２金属基板２ｂを支持ピン（図示せず）で支えることができる（言い換えれば支持ピンの跡としてピン穴１１を残すことができる）。
また、これによって樹脂パッケージ３の樹脂の注入圧力によって第２金属基板２ｂが変形するのを防止することができる。
また、ピン穴１１に対応した第２金属基板２ｂの露出部をプロービング電極として利用することでパワー半導体モジュール３００の電気特性検査を実施することも可能である。
このようにパワー半導体素子１の搭載されていない第２金属基板２ｂは、必ずしも全てが樹脂パッケージ３の内部に埋設されている必要はない。一部が露出していても大部分が樹脂パッケージ３の内部に埋設されていれば導電性異物の噛み込みに対する回路短絡の防止効果が期待できる。

図８は、実施の形態２のパワー半導体モジュール２００をヒートシンクＨＳへ取り付けた状態の変形例を示す断面図である。
図８において、アルミニウム合金などの金属からなるヒートシンクＨＳの台座８の上面には、電気絶縁性を持たせるため、電気絶縁性の板材、又はシート材などの絶縁板１３が接着剤やグリスなど（図示せず）を介して貼り付けられている。
絶縁板１３の上には、接合部材９を介して半導体モジュール２００が取り付けられている。絶縁板１３の材料としては、特に指定するものではないが熱伝導性の良好な電気絶縁材料が好ましいことからセラミックが望ましい。その中でも、特に熱伝導率の高い窒化ケイ素や窒化アルミニウムが望ましい。あるいはプラスチックからなるものであってもよい。また、絶縁板１３は硬直したものである必要はなく、フレキシブルなシート状やフィルム状であってもよい。
この取り付け構造では接合部材９の厚みが薄くなりすぎたとしても、モジュールがヒートシンクＨＳと短絡する懸念がないため、厚みを管理する突起１２などは不要である。
このような構成によれば、ヒートシンクＨＳに絶縁被膜を形成しなくても、パワー半導体モジュール２００とヒートシンクとの間の絶縁を確実にすることができる。また、絶縁被膜に対し比較的容易に厚みを持たせることができるため、絶縁性はより確実なものとなる。

（その他の実施の形態）
以上に述べた各実施の形態は、この発明の実施の形態の一例に過ぎず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が加えられたり、実施の形態１及び２が組み合わせられたりしたものであっても良い。
また、上述の各実施の形態は、パワー半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ素子を用いたリレー回路であったが、別の回路機能を有するパワー半導体モジュールであってもよい。例えば、三相回転機のための三相ブリッジインバータ回路であってもよく、インバータ回路の一部を構成するパワー半導体モジュールであってもよい。
また、半導体素子としてはパワーＭＯＳＦＥＴ素子に限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子などのパワー半導体素子であってもよい。
また、モジュールに配設される素子はパワー半導体素子のみに限らず、ロジック系の半導体素子やチップ型のコンデンサ素子、抵抗素子も同時に配設され樹脂パッケージに埋設されていてもよい。

Claims

パワー半導体素子が搭載された第１金属基板と、パワー半導体素子が搭載されていない第２金属基板とを封止した電気絶縁性樹脂パッケージで構成されたパワー半導体モジュールであって、上記第１金属基板のパワー半導体素子搭載面の反対側である裏面を、上記電気絶縁性樹脂パッケージ外に露出させ、放熱面を形成したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
上記第１、第２金属基板を上記電気絶縁性樹脂パッケージ内で同一平面状に横並びに配置すると共に、上記電気絶縁性樹脂パッケージの第１金属基板埋設箇所に凹部を設けることによって、上記第１金属基板の裏面を上記電気絶縁性樹脂パッケージ外に露出させ、放熱面を形成したことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
上記電気絶縁性樹脂パッケージ内において、上記第１、第２金属基板をずらせて段違いに配置することによって、上記第１金属基板の裏面を上記電気絶縁性樹脂パッケージ外に露出させ、放熱面を形成したことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
上記第１金属基板の露出面と、この露出面を除く上記電気絶縁性樹脂パッケージの外側面とを、同一平面にそろえると共に、この同一平面部をヒートシンクに接する放熱面としたことを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
複数個の上記第１金属基板を上記電気絶縁性樹脂パッケージ内に離間して配置し、この離間部に、上記第２金属基板を埋設状態で配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの放熱面を、ヒートシンクに形成した台座面に電気絶縁性接合部材を介して取り付けたことを特徴とするパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記電気絶縁性接合部材に、この接合部材の厚みに相当する径の固形物からなる粒子を混合したことを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記パワー半導体モジュールの放熱面、又は上記パワー半導体モジュールが取り付けられる上記ヒートシンクの取り付け面に、上記電気絶縁性接合部材の厚さを規制する突起を設けたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記第２金属基板を覆うパワー半導体モジュールの放熱面に、上記第２金属基板に達する孔を設けたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記パワー半導体モジュールが取り付けられたヒートシンクの取付面に、電気絶縁性の板材、又はシート材を貼り付けたことを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記パワー半導体モジュールの放熱面、又はパワー半導体モジュールが取り付けられたヒートシンクの取付面に、電気絶縁性被膜を設けたことを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。
上記ヒートシンクは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、上記電気絶縁性被膜を酸化膜で形成したことを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュールの取り付け構造。