JP2013026296A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、安価で高い放熱性能を実現し、基板の反りを防止して接合の信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】パワーモジュール１０は、導電性のパターン１２が形成された基板１４、基板１４を貫通する貫通穴１６、貫通穴１６に埋め込まれた伝熱部材１８、伝熱部材１８の上に実装されたパワー半導体２０、パワー半導体２０とパターン１２とを接続する配線部材２２、パワー半導体２０を覆う第１の封止部材２４、および第１の封止部材２４の上から配線部材２２を覆う第２の封止部材２６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板にパワー半導体を実装したパワーモジュールに関するものである。
空気調和機などのモータを駆動させるためにインバータが使用されている。インバータで使用されるパワーモジュール５０は、基板５２と、基板５２の上に取り付けられたヒートスプレッダ５４と、ヒートスプレッダ５４の上に実装されたパワー半導体２０とを備える（図５（ａ））。インバータを構成するためのパワー半導体２０は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）である。
パワーモジュール５０の放熱性能を高めるために、基板５２は金属基板やセラミック基板である。基板５２が金属基板の場合、基板５２の表面には絶縁層５６が形成されており、絶縁層５６の上に薄膜導体でパターン１２が形成されている。パワー半導体２０とパターン１２には、アルミニウム等のワイヤの配線部材２２により電気配線をおこなっている。パワー半導体２０はベアチップを使用している。パワー半導体２０や配線部材２２は絶縁性の樹脂５８によって覆われている。
しかし、金属基板やセラミック基板は高価である。パワーモジュール５０を安価にするために、樹脂基板を使用する（図５（ｂ））。樹脂基板を用いた場合、熱伝導率が低いため、そのままではパワー半導体２２の放熱が十分にできず半導体が熱破壊を起こす。そのため基板１４に貫通穴６２を形成し、貫通穴６２にヒートスプレッダ５４を埋め込み、絶縁層３４を介して放熱器３６を取り付けたパワーモジュール６０が下記の特許文献１に示されている。
パワー半導体２０と配線部材２２は、それらの機械的な保護、電気絶縁、および水分・塵埃等からの保護を目的として、絶縁性の樹脂５８により封止されている。樹脂５８の材料としてゲル状のソフトレジンとエポキシ樹脂などのハードレジンが用いられる。配線部材２２の接合部や半田接合部の疲労破壊に対してハードレジンの方がより耐久性が高くなることが知られている。
樹脂基板１４の剛性が金属基板やセラミック基板に対して低い。樹脂基板１４を用いたパワーモジュール６０において、ハードレジンを封止樹脂５８として使用した場合、封止樹脂５８の熱硬化時に、樹脂材料の硬化収縮と熱硬化プロセスでの温度変化による熱膨張または収縮により、基板１４に反りが発生する。基板１４の反りは、基板１４と放熱器３６との間に隙間を発生させ、放熱性能を悪化させる。また、反りによるパワー半導体２０や配線部材２２およびそれらの接合部分への残留応力も発生し、信頼性に悪影響を及ぼすことが考えられる。
特開２００７−８１３７９号公報
本発明は、安価で高い放熱性能を実現し、基板の反りを防止して接合の信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、絶縁性の基板に貫通穴が設けられており、貫通穴の一部分に伝熱部材が埋め込まれている。伝熱部材の上には接合部材によってパワー半導体が接合されている。パワー半導体と基板表面の導電性のパターンとが配線部材によって電気接続されている。配線部材のパワー半導体との接続部分は、パターンよりも貫通穴の内方に配置される。第１の封止部材が、貫通穴内において、伝熱部材の上からパワー半導体と配線部材の接合部分までを覆う。第２封止部材が、第１の封止部材の上から配線部材を覆う。第２封止部材は、基板および第１の封止部材よりもヤング率の小さい
前記伝熱部材が導体を含む。前記基板の他面に取り付けられた放熱器を備える。伝熱部材がパワー半導体の熱を拡散し、放熱器に熱を伝導させる。
前記第１の封止部材がエポキシ系樹脂を含み、第２の封止部材がシリコーン系樹脂またはウレタン系樹脂を含む。第１の封止部材がパワー半導体と配線部材の接合部分を保護する。第２の封止部材は配線部材を保護し、基板の反りを防止する。
前記配線部材が、導電性のワイヤ、導電性のテープ、または導電性の板である。大電流に耐える配線をおこなう。
本発明は、２種類の封止部材を使用しており、パワー半導体などの保護と基板の反りを防止できる。基板の反りが防止できるため、放熱性能を低下させず、信頼性が高くなる。
本発明のパワーモジュールの構成を示す断面図である。 貫通穴の形状を示す図であり、（ａ）は貫通穴が円形の図であり、（ｂ）は貫通穴が四角形の図である。 配線部材がフィルムの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。 配線部材が板体の図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。 従来のパワーモジュールの図であり、（ａ）は金属基板またはセラミック基板を使用したパワーモジュールの図であり、（ｂ）は樹脂基板を使用したパワーモジュールの図である。
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１に示すパワーモジュール１０は、導電性のパターン１２が形成された基板１４、基板１４を貫通する貫通穴１６、貫通穴１６に埋め込まれた伝熱部材１８、伝熱部材１８の上に実装されたパワー半導体２０、パワー半導体２０とパターン１２とを接続する配線部材２２、パワー半導体２０を覆う第１の封止部材２４、および第１の封止部材２４の上から配線部材２２を覆う第２の封止部材２６を備える。
基板１４は絶縁性の板体２８およびその板体２８の表面に形成された導電性のパターン１２を備える。絶縁性の板体２８は、例えばガラスクロス含浸エポキシ樹脂などの樹脂基板である。導電性のパターン１２は、銅や銅合金などの導体箔である。パターン１２によって、配線やパッドが構成されている。
貫通穴１６は基板１４の一面から他面まで貫いている。図面において、基板１４の上側を一面、下側を他面として説明する。貫通穴１６はパワー半導体２０が入る大きさである。貫通穴１６は四角形や円形などの種々の形状が可能である。真円であれば、製造時に方向を考慮せずに貫通穴１６を形成することができる（図２（ａ））。パワー半導体２０は四角形であり、貫通穴１６を四角形にすることによって伝熱部材１８も四角形になり、放熱性能が高くなる（図２（ｂ））。貫通穴１６の内壁には、メッキ処理によって導電性の薄膜３０を形成する。
伝熱部材１８は貫通穴１６に埋め込まれる。貫通穴１６の全部に埋め込まれるのではなく、基板１４の厚み方向における一部分に埋め込まれる。図面では基板１４の他面側のパターン表面から基板１４の途中まで埋め込まれている。伝熱部材１８は柱状であり、その断面は貫通穴１６の形状と同じで四角形や円形である。伝熱部材１８の材料は、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金などの熱伝導の良い材料である。従来のヒートスプレッダと同様に、伝熱部材１８はパワー半導体２０の熱を放熱のために拡散し、伝熱する。伝熱部材１８は導電性も有しており、電流の経路にすることもできる。
パワー半導体２０は、駆動時に高発熱となる電子部品である。パワー半導体２０として、インバータに用いられるＩＧＢＴやＦＷＤなどのベアチップが挙げられる。半田などの導電性の接合部材３２によって、パワー半導体２０が伝熱部材１８に取り付けられる。パワー半導体２０は１個に限られず、複数のパワー半導体２０が１つの伝熱部材１８に取り付けられても良い。
配線部材２２は、パワー半導体２０の表面の端子から基板１４のパターン１２に電気接続をおこなう。配線部材２２は、図１と図２に示す導電性のワイヤの他に、導電性のフィルム２２ｂ（図３）、または導電性の板体２２ｃ（図４）が挙げられる。配線部材２２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などで形成される。ボンディングなどによって配線部材２２がパワー半導体２０や基板１４のパターン１２に接続される。配線部材２２のパワー半導体２０との接続部分は、基板１４の一面側にあるパターン１２よりも基板１４の内部側に配置されるようにする。
第１の封止部材２４は、絶縁性の樹脂である。第１の封止部材２４は貫通穴１６の中に入り、基板１４の一面のパターン１２からはみ出さない。パワー半導体２０と配線部材２２の接合部分において、配線部材２２の上部まで第１の封止部材２４が入る。すなわち、第１の封止部材２４は、伝熱部材１８とパワー半導体２０の接合部分、パワー半導体２０、およびパワー半導体２０と配線部材２２の接合部分を覆う。貫通穴１６の中であれば、配線部材２２のさらに上方にも第１の封止部材２４が形成されても良い。第１の封止部材２４の材料は、エポキシ系樹脂を含む。第１の封止部材２４は貫通穴１６に入っており、従来に比べて量も少なくなるため、第１の封止部材２４の熱膨張または収縮で基板１４を変形させにくい。
伝熱部材１８とパワー半導体２０の接合部分、パワー半導体２０、およびパワー半導体２０と配線部材２２の接合部分を覆うのであれば、第１の封止部材２４の上面は平らである必要はない。例えば、第１の封止部材２４をドーム状にしても良い。
第２の封止部材２６は、第１の封止部材２４の上から配線部材２２を覆う絶縁性の樹脂である。配線部材２２は基板１４のパターン１２に接続されているため、第２の封止部材２６は、第１の封止部材２４上から基板１４の上にかけて形成される。第２の封止部材２６は、基板１４および第１の封止部材２４の上で配線部材２２を封止して、機械的に保護し、防塵・防水をおこなう。第２の封止部材２６は、基板１４および第１の封止部材２４よりも熱硬化後のヤング率が小さい。第２の封止部材２６は熱硬化後にゲル状になるソフトレジンである。例えば、第２の封止部材２６は、シリコーン系樹脂やウレタン系樹脂などである。ヤング率を小さくすることによって、第２の封止部材２６による基板１４の変形を防止する。
本発明は２種類の封止部材２４，２６を使用している。第１の封止部材２４は貫通穴１６の内部で硬化されており、パワー半導体２０やパワー半導体２０と配線部材２２の接続部分の疲労破壊を防止し、接続部分を保護できる。従来に比べて第１の封止部材２４の量が少ないため、熱膨張率の違いによる基板１４の変形も小さくなる。
第２の封止部材２６は基板１４および第１の封止部材２４よりも柔らかいため、第２の封止部材２６が熱によって膨張または収縮しようとしても基板１４および第１の封止部材２４によって膨張または収縮できず、基板１４の反りを防止できる。貫通穴１６の中にパワー半導体２０を実装するため、配線部材２２の高さが低くなり、第２の封止部材２６の量を少なくすることができる。
基板１４の他面側には絶縁層３４を介して放熱器３６を取り付ける。基板１４と一緒に、伝熱部材１８にも絶縁層３４を介して放熱器３６が取り付けられ、パワー半導体２０の放熱をおこなう。冷媒冷却をおこなう放熱器３６であれば、冷媒が通る配管、配管に熱を伝えるための冷媒ジャケットが備えられる。冷媒ジャケットの中に配管が埋め込まれても良いし、冷媒ジャケットの一部に配管が接するようにしても良い。冷媒ジャケットが絶縁層３４を介して基板１４および伝熱部材１８に取り付けられる。絶縁層３４は、半硬化のシート状の樹脂を基板１４の他面側に熱圧着により形成しても良いし、液体樹脂を印刷または塗布し、硬化させて形成しても良い。さらに放熱器３４は、空冷をおこなう放熱フィンやファンを備えた放熱器であっても良い。
本発明は、上記のように基板１４の反りを防止できるため、基板１４から放熱器３６の間に隙間を生じない。基板１４が反らないため、伝熱部材１８から放熱器３６の間に隙間を生じない。伝熱部材１８から放熱器３６に効率よく熱伝導される。パワーモジュール１０は、放熱性能を低下させず、信頼性が高い。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のパワーモジュール１０は、空気調和機の室外電装品のインバータに使用できる。放熱器３６は空気調和機の冷媒を使用した放熱器になる。
１枚の基板１４に設けられる伝熱部材１８は１つに限られない。１枚の基板１４に複数の貫通穴１６を形成し、各貫通穴１６に伝熱部材１８とパワー半導体２０を実装し、第１の封止部材２４と第２の封止部材２６で封止する。
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。
１０：パワーモジュール
１２：パターン
１４：基板
１６：貫通穴
１８：伝熱部材
２０：パワー半導体
２２、２２ｂ、２２ｃ：配線部材
２４：第１の封止部材
２６：第２の封止部材
３４：絶縁層
３６：放熱器

Claims (5)

  1. 一面と他面とを有する絶縁性の板体を備え、該板体の少なくとも一面に導電性のパターンを形成した基板と、
    前記基板の一面から他面まで貫通する貫通穴と、
    前記貫通穴の一部分に埋め込まれた伝熱部材と、
    前記伝熱部材の上に接合部材を介して実装されたパワー半導体と、
    前記パワー半導体とパターンを電気接続し、パワー半導体との接続部分がパターンの表面よりも貫通穴の内方に配置された配線部材と、
    前記貫通穴内において、伝熱部材の上からパワー半導体と配線部材の接合部分までを覆う第１の封止部材と、
    前記第１の封止部材の上から配線部材を覆い、基板および第１の封止部材よりもヤング率の小さい第２の封止部材と、
    を備えたパワーモジュール。
  2. 前記伝熱部材が導体を含む請求項１のパワーモジュール。
  3. 前記基板の他面に取り付けられた放熱器を備える請求項１または２のパワーモジュール。
  4. 前記第１の封止部材がエポキシ系樹脂を含み、第２の封止部材がシリコーン系樹脂またはウレタン系樹脂を含む請求項１から３のいずれかのパワーモジュール。
  5. 前記配線部材が、導電性のワイヤ、導電性のテープ、または導電性の板よりなる請求項１から４のいずれかのパワーモジュール。
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