JP2013145814A

JP2013145814A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2013145814A
Application number: JP2012005786A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Naoe; 和明直江; Keiji Sato; 桂司佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-25

Abstract

【課題】本発明では、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させる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】本発明は、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュールを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールに関する。

特許文献１には、一方の主面に半導体素子を配置する配線導電板と、前記配線導体板の他方の主面側に配置される樹脂製絶縁層と、前記樹脂製絶縁層を介して前記配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該樹脂製絶縁層と接合するための無機層と、前記無機層を介して前記樹脂製絶縁層とは反対側に配置される前記無機絶縁層と、前記無機絶縁層を介して前記無機層とは反対側に配置される金属製放熱部材を備えるパワーモジュールが記載されている。

特開２０１０−２５８３１５号公報

特許文献１では、パワーモジュールの絶縁信頼性を向上させるため、フィラーを含有したエポキシ樹脂からなる絶縁シートと金属製放熱部材に形成したアルマイト層の２層の絶縁層により、絶縁信頼性を向上させている。しかし、有機成分からなる樹脂シートや多孔質のアルマイト層の熱伝導率は、金属製の導体板や放熱部材に比べ大幅に低く、パワーモジュールの熱抵抗低減が困難である課題がある。

そこで本発明では、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させるパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュールを提供する。

本発明によれば、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させるパワーモジュールを提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１におけるパワーモジュールの模式図である。実施例１におけるパワーモジュールの変形例１の模式図である。実施例１におけるパワーモジュールの変形例２の模式図である。実施例１におけるパワーモジュールの変形例３の模式図である。実施例１におけるパワーモジュールの変形例４の模式図である。実施例１におけるパワーモジュールの変形例５の模式図である。エアロゾルデポジション装置の構成説明図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１に、本実施例におけるパワーモジュールの模式図を示す。半導体素子６からの熱を放熱する金属製冷却板１に樹脂成分を含まず無機成分のみからなり、金属製冷却板１と半導体素子６とを絶縁する絶縁層２が、接着層なく直接形成される。金属製冷却板１の絶縁層２が形成されていない一方の面には、放熱性を向上させるための金属フィンが形成されていてもよい。絶縁層２に使用する無機材料としては、電気的に絶縁性であれば従来公知のいずれの材料も使用できる。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣなどが挙げられる。絶縁層２はこれらの混合膜または多層膜とすることもできる。高熱伝導率の点からでは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等が望ましい。さらに、大気中での取り扱い、及び無機材料の製造コストの点において、Ａｌ_２Ｏ_３が最も望ましい。

絶縁層２は、図２に示すように金属製導体板の接着部のみに分割して形成してもよい。これにより、使用材料を減らすことができ、材料コストを減らすことができる。絶縁層２と金属製導体板４は、樹脂層３を介して接着される。

樹脂層３は、図３に示すように金属製導体板４との接着部のみに分割して形成されてもよい。これにより、使用材料を減らすことができ、材料コストを減らすことができる。樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコン樹脂等が挙げられる。樹脂の塗布方法として、スクリーン印刷法、インクジェット法、ロールコーター法、ディスペンサー法など従来公知のいずれの方法も使用できる。また、樹脂層３は、絶縁層２と金属製導体板４の間にシート状の樹脂を設置し熱圧着により接着させることで形成してもよい。所望の厚みをもつシートを用いることで、樹脂層３の厚み制御が容易になる。使用する樹脂の種類に応じて、樹脂を絶縁層２または金属製導体板４に塗布した後、絶縁層２と金属製導体板４を貼り合せた状態で、熱、ＵＶ、レーザーなどにより樹脂を硬化させる必要がある。

金属製導体板４として、Ａｌ合金、Ｃｕ合金などからなる金属板を利用できる。金属導体板４の表面は、防錆のためのめっき処理、樹脂層３との接着力向上のための粗面化処理、酸化処理等の表面処理がされていてもよい。半導体素子６は、接合部材５を介して金属製導体板４に接続される。

半導体素子６としては、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換するＩＧＢＴなどのパワー半導体素子や、これらのパワー半導体素子を制御するための制御回路用半導体素子が挙げられる。

また、接合部材５としては、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などのはんだ、Ａｇなどの金属、及び金属フィラー入り樹脂などが挙げられる。

半導体素子６上面と金属製導体板４はＡｌなどの金属ワイヤ７により接続される。金属製導体板４には外部接続端子８が接続される。金属製冷却板１の周囲には樹脂ケース９が接着され、絶縁性ゲル剤などの封止剤１０が内部に充填される。また、図４に示すように、金属製冷却板の冷却面以外をモールド樹脂１１により封止してもよい。これにより、各モジュール部材の接続部の応力集中が緩和され、接続部の剥離を抑止でき、モジュール動作の温度サイクル信頼性が向上する。金属製冷却板１は、半導体素子６の一面側のみに設置されている必要ななく、図５に示すように、金属冷却板１が半導体素子６の両面側に設けられていてもよい。これにより、半導体素子６の片側に金属冷却板１を設けるよりも放熱面積が増加するため、熱抵抗を低減させることができる。さらに、図６に示すように２つの金属冷却板１が金属板１２により接合され、ＣＡＮ型の形状をなしていてもよい。これにより、金属板同士で信頼性の高い接合が形成されるため、モジュールを冷却媒体に浸しても冷却媒体がモジュールの中に侵入するのを防止することができる。

絶縁層２はエアロゾルデポジション法により形成する。エアロゾルデポジション装置の構成説明図を図７に示す。高圧ガスボンベ２１を開栓し、搬送ガスがガス搬送管２２を通してエアロゾル発生器２３に導入させる。エアロゾル発生器２３にはあらかじめ絶縁層を形成するＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の無機材料の微粒子を入れておく。微粒子の平均粒径は、０．１μｍ〜５μｍが好ましい。搬送ガスと混合されることで、当該微粒子を含むエアロゾルが発生する。使用可能な搬送ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。金属製冷却板１は真空チャンバー２５内のＸＹステージ２７に固定する。真空チャンバー２５を真空ポンプ２８により減圧することで、搬送ガスが導入されるエアロゾル発生器２３と真空チャンバー２５間には圧力差が生まれる。この圧力差により、エアロゾルは、搬送管２４を通してノズル２６へと送られ、金属冷却板１に向けてノズルの開口より高速で噴出される。エアロゾル中の微粒子は、金属製冷却板１に衝突し、結合する。さらに微粒子が連続的に衝突し、微粒子同士も結合することで、絶縁層２が形成される。絶縁層２は金属冷却板１に直接形成され、絶縁層２と金属冷却板１の構成元素が相互に拡散した遷移領域や、絶縁層２と金属冷却板１の反応生成層は界面に存在しない。

従来構造の絶縁層で使用されるアルマイト層は、１０〜４０ｎｍ程度の微細な孔が多数存在する多孔質な組織を有する。この孔は絶縁層の熱伝導の低下、絶縁破壊電圧の低下を招く。即ち、樹脂成分の含浸により、孔が封じられ、絶縁特性は向上するものの、樹脂の熱伝導率は、アルマイトに比べ低いため、絶縁層の熱伝導率向上は限定的である。一方、本実施例におけるパワーモジュールでは、金属冷却板１に形成される絶縁層２には１０〜４０ｎｍ程度の孔がなく緻密である。そのため、多孔質のアルマイト層に比べ、熱伝導率に優れる。絶縁層２は緻密であるため、樹脂層３の樹脂成分が、絶縁層２内部にまで含浸し、絶縁層２の熱伝導率が低下することはない。また、絶縁特性は、短時間昇圧法により測定した絶縁破壊電圧で比較すると、アルマイト処理により形成したＡＬ_２Ｏ_３では１０〜２０Ｖ/μｍであるのに対し、本実施例におけるＡＬ_２Ｏ_３では５０〜４００Ｖ/μｍである。本実施例における絶縁層２の絶縁破壊電圧は、従来構造における絶縁層の絶縁破壊電圧より５〜２０倍高い。本実施例におけるパワーモジュールでは、従来構造と同等の絶縁特性を保持したまま、絶縁層２の厚みを低減することが可能であるため、熱抵抗を低減することができる。本実施例におけるパワーモジュールで必要とされる絶縁電圧は２〜１５ｋＶであり、絶縁層２の絶縁破壊電圧値から、絶縁層２に必要な厚みは５〜３００μｍである。

パワーモジュールにおいて、半導体素子と電気的に接続される金属導体には数Ａ〜数１００Ａ程度の電流が流れる。金属導体には、電気抵抗を低くしジュール熱による損失を低減するための比抵抗と厚みが求められる。また、金属導体を厚く形成することは、電気抵抗を低くするだけでなく、半導体素子の発熱を金属導体内で拡散させ熱流束を小さくする効果があり、パワーモジュールの熱抵抗低減にも寄与する。パワーモジュールでは使用電流と発熱拡散の観点から、厚さが数１００μｍ〜数ｍｍ、比抵抗はＡｌ合金板材と同等の３μΩ・ｃｍ以下である導体の使用が望ましい。

厚みが数１００μｍ以上の金属導体の形成方法としては、金属ペーストの印刷、溶射法、コールドスプレー法等による金属層形成による手法、または、ろう材や接着剤により金属板貼り付けによる手法が挙げられる。しかし、本実施例のように、金属製冷却板に無機成分のみからなる厚み５〜３００μｍの絶縁層を直接形成した場合、パワーモジュールの金属導体形成方法として使用できる方法は限られる。

金属ペーストの印刷により金属導体を形成する場合、金属導体の電気伝導は金属粒子間の物理的な接触で発現するため、金属板と同等の比抵抗をもつ金属導体の形成が困難である。また、溶射法で金属導体を形成する場合、形成時に金属導体中に導入される気孔や、金属粒子の酸化により、比抵抗は金属板より大きくなる。一方、コールドスプレー法では、緻密で金属板と同等の比抵抗をもつ厚さ数ｍｍ程度の金属導体形成が可能である。しかし、本実施例で使用する厚み５〜３００μｍの絶縁層に対しては、金属導体形成中に、絶縁層の剥離、クラック導入を引き起こすため、絶縁層の絶縁特性が低下する。本実施例におけるＡＬ_２Ｏ_３にコールドスプレー法により厚み３００μｍのＣｕ膜を形成した場合、短時間昇圧法により測定した絶縁破壊電圧は、０〜３０Ｖ/μｍとなり、Ｃｕ膜を形成しない場合に比べ、絶縁特性は大幅に低下する。

金属板を絶縁層に貼り付ける場合、印刷や溶射法により形成した金属導体と比較して比抵抗が小さい上、貼り付ける金属板をあらかじめ加工しておくことで数１００μｍ〜数ｍｍの厚みを実現できる。パワーモジュールの金属導体として最も望ましい。絶縁層と金属板を接着する方法としては、Ａｇ−Ｔｉ系などのろう材を用いた活性金属法が挙げられる。当該手法では、接着に８００〜１０００℃程度の高温を必要とする。しかし、本実施例のように、絶縁層が厚み５〜３００μｍである場合、約５００℃以上の加熱により、絶縁層にクラックなどの欠陥が導入され、絶縁特性と熱伝導率の低下を招く。従って絶縁層と金属導体板の接着方法として、活性金属法を使用することはできない。一方、絶縁層と金属板をエポキシ樹脂等の樹脂を介して接着すれば、熱硬化の場合、２００℃以下で接着可能であり、絶縁特性の低下なく、金属導体が形成できる。

上述のように、金属製冷却板に無機成分のみからなる厚み５〜３００μｍの絶縁層を直接形成した場合、パワーモジュールの金属導体形成方法として使用できる方法は限られる。本実施例のように、絶縁層２と金属製導体板４を、樹脂層３を介して接着することにより、絶縁層２の絶縁特性の低下なく、パワーモジュールに必要とされる金属導体を形成することが可能となる。

本実施例では、実施例１と比較して、さらに熱抵抗の低減が可能なパワーモジュールの例を説明する。本実施例では、実施例１と比較して、絶縁層２と金属製導体板１が金属粒子をフィラーとして含む樹脂層３を介して接合される点で異なる。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

本実施例におけるパワーモジュールでは、無機成分からなる絶縁層２の膜厚に応じて２〜１５ｋＶの絶縁が可能であるため、絶縁層２と金属製導体板４の間に介在する樹脂層３は導電性材料でも良い。そのため、金属粒子をフィラーとして樹脂層３に含有させることができる。金属粒子としては、熱伝導率の優れたＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどが好ましい。これらの金属粒子をフィラーとすることで、５．０Ｗ/ｍＫ以上の熱伝導率を有する樹脂層を使用できる。Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２などのセラミック粒子をフィラーとし、熱伝導率が１．０〜２．０Ｗ/ｍＫ程度の樹脂層を使用した構造に比べ、本実施例のパワーモジュールでは、樹脂層３の熱伝導率が向上するため、実施例１と比較して、さらに熱抵抗を低減できる。

本実施例では、実施例１、２と比較して、絶縁層２と金属製導体板４の接着強度が向上し、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制できるパワーモジュールの例を説明する。本実施例では、実施例１と比較して、樹脂層３の厚みが５μｍ以上である点で異なる。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

パワーモジュールは使用環境に応じた温度サイクルに対する動作信頼性が求められる。温度サイクルの下では、各構成部材の熱膨張率の差に起因した熱応力が発生する。この熱応力により、構成部材界面の剥離が生じ、界面での接触面積の減少からパワーモジュールの熱抵抗が上昇する可能性がある。熱応力による界面の剥離を抑制するためには、構成部材間の接着強度を向上させる必要がある。

金属製冷却板１に形成された絶縁層２と金属製導体板４の接着強度をセバスチャン型引張試験により評価した。樹脂層３にＡｇ粒子を含有した樹脂ペーストを用いて、厚み１ｍｍのＣｕからなる金属製導体板４と膜厚１０μｍのＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層２を接着した。樹脂層３の厚みが３μｍの場合、引張強度が２ＭＰａであるのに対し、樹脂層３の厚みが５μｍ以上の場合、引張強度は１０ＭＰａ以上に向上した。金属製冷却板１に形成された無機成分のみからなる絶縁層２を金属製導体板４と接着する場合、樹脂層３の厚みを５μｍ以上にすることで、絶縁層２と金属製導体板４の接着強度を向上することが可能である。本実施例におけるパワーモジュールでは、絶縁層と金属製導体板の接着強度が向上するため、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１金属製冷却板
２絶縁層
３樹脂層
４金属製導体板
５接合部材
６半導体素子
７金属ワイヤ
８外部接続端子
９樹脂ケース
１０封止材
１１モールド樹脂
２１高圧ガスボンベ
２２、２４搬送管
２３エアロゾル発生器
２５真空チャンバー
２６ノズル
２７ＸＹステージ
２８真空ポンプ

Claims

金属冷却板と、
前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、
前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、
前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
前記絶縁層と、前記金属導体板と、前記半導体素子とを樹脂により封止することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
前記金属冷却板を半導体素子の両面側に設けることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
前記絶縁層の厚みが５〜３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
前記絶縁層がＡｌ_２Ｏ_３を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記樹脂層に金属粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記樹脂層の厚みが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーモジュール。