JP2014107290A - 冷却器付きパワーモジュール及びその製造方法 - Google Patents

冷却器付きパワーモジュール及びその製造方法 Download PDF

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尚宏 木戸
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Abstract

【課題】耐熱性を考慮しながら、パワーモジュールの冷却の効率を高くする。
【解決手段】半導体素子(24)及び金属ベース（42）を含むパワーモジュール（100）と、冷却器（72）と、を有する冷却器付きパワーモジュールの製造方法は、前記冷却器（72）の面上に第１半田層（62）を配置し、前記半田層（62）の上に前記パワーモジュール（100）の前記金属ベース（42）を配置し、前記第１半田層（62）を温度がその融点より高くなるように加熱し、前記第１半田層（62）を温度がその融点より低くなるまで放熱させる。前記第１半田層（62）の融点は、前記金属ベース（42）の接合に用いられる第２半田層（32）の融点及び前記半導体素子（24）の接合に用いられる第３半田層（22）の融点より低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を有するパワーモジュールに関する。
半導体素子や、これを有するパワーモジュールには、半導体素子の温度が上がり過ぎないようにするために冷却器（ヒートシンク）が取り付けられる。半導体素子が発生する熱は、サーマルインターフェースマテリアルとしてのグリースを介して冷却器に伝えられる（例えば特許文献１）。
特開２００１−３０８２３３号公報
図５は、半導体素子が発熱しているときにおけるパワーモジュール及び冷却器の温度分布の例を示すグラフである。図５の例では、半導体素子は金属層を有する絶縁基板に半田を用いて接合され、絶縁基板は金属ベースに半田を用いて接合されている。金属ベースと冷却器との間には、グリース層が存在する。図５からは、グリース層の両側の温度の間の差が比較的大きいことがわかる。これは、グリースの熱伝導率が余り高くなく、グリース層の熱抵抗が大きいからである。このように熱抵抗が大きく、冷却の効率が高くない場合には、大きな冷却器を用いたり、半導体素子の発熱を抑える必要がある。そこで、サーマルインターフェースマテリアルの熱抵抗が小さくなるようにすることが望ましいのであるが、既に製造されたパワーモジュールに冷却器を取り付ける際にサーマルインターフェースマテリアルの加熱処理に必要な温度によっては、パワーモジュールが壊れてしまう可能性がある。
本発明は、パワーモジュールの耐熱性を考慮しながら、パワーモジュールの冷却の効率を高くすることを目的とする。
第１の発明は、半導体素子(24)及び金属ベース（42）を含むパワーモジュール（100）と、冷却器（72）と、を有する冷却器付きパワーモジュールの製造方法であって、前記冷却器（72）の面上に第１半田層（62）を配置し、前記半田層（62）の上に前記パワーモジュール（100）の前記金属ベース（42）を配置し、温度が前記第１半田層（62）の融点より高くなるように前記第１半田層（62）を加熱し、温度が前記第１半田層（62）の融点より低くなるまで前記第１半田層（62）を放熱させる。前記第１半田層（62）の融点は、前記金属ベース（42）の接合に用いられる第２半田層（32）の融点及び前記半導体素子（24）の接合に用いられる第３半田層（22）の融点より低い。
第１の発明によると、第１半田層（62）の熱伝導率がグリース等に比べて高いので、パワーモジュール（100）で発生した熱を冷却器（72）に伝熱させやすい、冷却器付きパワーモジュールを得ることができる。第１半田層（62）の融点が、第２半田層（32）の融点及び第３半田層（22）の融点より低いので、温度が第１半田層（62）の融点より高くなるように第１半田層（62）を加熱する際に、第２半田層（32）及び第３半田層（22）が溶融しないようにすることができる。
第２の発明では、第１の発明において、前記パワーモジュール（100）内の半導体素子は、封止材（54）によって封止されている。
第２の発明によると、パワーモジュール（100）内の半導体素子が封止材（54）によって封止されているので、通電部間の絶縁性強化、空気による酸化、埃など異物の侵入、結露による水分の侵入を防ぐことができ、パワーモジュール（100）の信頼性を高めることができる。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、少なくとも加熱から放熱終了までの期間、前記金属ベース（42）と前記冷却器（72）との間を加圧する。
第３の発明によると、加圧することにより、金属ベース（42）と第１半田層（62）との間、及び、第１半田層（62）と冷却器（72）との間が密着し、かつ、第１半田層（62）が薄くなる。また、第１半田層（62）の厚さを均等にさせ、冷却性能のバラツキを低減し、温度マージンを減らすことができる。
第４の発明では、第３の発明において、前記加圧は、ばね付きねじを用いて行われる。
第４の発明によると、低コストかつ容易に加圧を行うことができる。
第５の発明では、第３の発明において、前記加圧は、重りを用いて行われる。
第５の発明によると、低コストかつ容易に加圧を行うことができる。
第６の発明では、第３の発明において、前記加圧は、プレス機を用いて行われる。
第６の発明によると、低コストかつ容易に加圧を行うことができる。
第７の発明では、前記加熱は、リフロー炉を用いて行われる。
第７の発明によると、加熱プロセスを低コストかつ容易に行うことができる。
第８の発明は、金属ベース（42）を有するパワーモジュール（100）と、放熱を行う冷却器（72）と、前記金属ベース（42）と冷却器（72）とを接合する第１半田層（62）とを有する冷却器付きパワーモジュールである。前記パワーモジュール（100）は、絶縁基板（12）と、半導体素子(24)と、前記絶縁基板（12）の一方の面に形成された第１金属層（14）と、前記絶縁基板（12）の他方の面に形成された第２金属層（16）と、前記第１金属層（14）と前記金属ベース（42）とを接合する第２半田層（32）と、前記第２金属層（16）と前記半導体素子（24）とを接合する第３半田層（22）とを有する。前記第１半田層（62）の融点は、前記第２半田層（32）の融点及び前記第３半田層（22）の融点より低い。
第８の発明によると、第１半田層（62）の熱伝導率がグリース等に比べて高いので、パワーモジュール（100）で発生した熱を冷却器（72）に伝熱させやすい。第１半田層（62）の融点が、第２半田層（32）の融点及び第３半田層（22）の融点より低いので、製造時に第１半田層（62）を温度が第１半田層（62）の融点より高くなるように加熱しても、第２半田層（32）及び第３半田層（22）が溶融することがない。また、第１半田層（62）は常温では固体であるので、流出、乾燥によって熱伝導性能が低下することがない。
第９の発明では、第８の発明において、前記第１半田層（62）の融点は、前記半導体素子（24）の動作時の最大ジャンクション温度より低い。
第９の発明によると、第１半田層（62）の融点が低いので、製造時の加熱を低温で行うことが可能となる。
第１０の発明では、第８又は第９の発明において、前記第１半田層（62）の融点は、前記パワーモジュール（100）の動作時のケース（52）の温度より高い。
第１０の発明によると、動作時に第１半田層（62）が溶けないようにすることができる。
第１１の発明では、前記第１半田層（62）の融点は、パワーモジュール（100）の耐熱温度より低い。
第１１の発明によると、半田層（62）を溶融させるときにパワーモジュール（100）が機能を損なわないようにすることができる。
第１２の発明では、前記冷却器（72）は、冷却通路（74）を有し、前記冷却通路（74）に冷却液を流すことによって放熱を行う。
第１２の発明によると、冷却器（72）の冷却能力が高いので、パワーモジュール（100）から冷却器（72）への熱の流れが大きくなり、パワーモジュールの冷却の効率を高くすることができる。
第１３の発明では、第１２の発明において、前記第１半田層（62）は、前記半導体素子（24）の下又はその近傍にのみ存在する。
第１３の発明によると、前記第１半田層（62）の面積が小さいので、半田の使用量を低減でき、半田の熱膨張による影響が小さくなる。
第１４の発明では、前記第１半田層（62）は、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎのいずれかを含む。
第１４の発明によると、より低コストで、より高品質な冷却器付きパワーモジュールを得ることができる。
第１又は第８の発明によると、製造の際にパワーモジュール（100）内の半田層（22,32）が溶融しないようにすることができるので、パワーモジュール（100）の耐熱性を考慮しながら、パワーモジュール（100）の冷却の効率を高くすることができる。
第２の発明によると、パワーモジュール（100）が封止されているので、パワーモジュール（100）をより安全に保存又は搬送することができる。また、パワーモジュール（100）と、多くの種類の冷却器とを組み合わせることが容易に実現できる。
第３の発明によると、パワーモジュール（100）の冷却の効率を更に高くすることができる。
第４〜７の発明によると、低コストで冷却器付きパワーモジュールを製造することができる。
第９の発明によると、低コストで冷却器付きパワーモジュールを製造することができ、製造時に半導体素子に与えるダメージを小さくすることができる。
第１０の発明によると、動作時において第１半田層（62）の変形を防ぐことができる。
第１１の発明によると、製造時にパワーモジュール（100）に悪影響を与えないようにすることができる。
第１２の発明によると、冷却器（72）の小型化が可能となる。
第１３の発明によると、半田の熱膨張による影響が小さくなるので、第１半田層（62）におけるボイドの発生を減らすことができる。
第１４の発明によると、より低コストで高品質な冷却器付きパワーモジュールを製造することができる。
本発明の実施形態に係る冷却器付きパワーモジュールの構成例を示す断面図である。 図１の冷却器付きパワーモジュールの製造方法における工程の例を示す断面図である。 図１の冷却器付きパワーモジュールの製造方法における工程の例を示す断面図である。 図１の冷却器付きパワーモジュールの製造方法における工程の例を示す断面図である。 半導体素子が発熱しているときにおけるパワーモジュール及び冷却器の温度分布の例を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図面において同じ参照番号で示された構成要素は、同一の又は類似の構成要素である。
図１は、本発明の実施形態に係る冷却器付きパワーモジュールの構成例を示す断面図である。図１の冷却器付きパワーモジュールは、パワーモジュール（100）と、半田層（62）と、ねじ（64）と、冷却器（72）とを有している。パワーモジュール（100）は、絶縁基板（12）と、金属層（14,16）と、半田層（22,32）と、半導体素子(24)と、ボンディングワイヤ(26)と、金属ベース（42）と、ケース（52）と、封止材（54）と、リード（56）とを有する。
絶縁基板（12）は、絶縁材料（例えば、セラミックス）で構成されている。絶縁基板（12）は、例えば矩形状に形成されている。絶縁基板（12）の一方の主面（上面）には、金属層（16）が形成されている。金属層（16）は、導電性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金等）によって構成されている。金属層（16）は、所定の回路パターンを有するように形成されている。絶縁基板（12）のこの主面には、半導体素子（24）が搭載されている。具体的には、半田層（22）が半導体素子（24）と金属層（16）とを接合する。半導体素子（24）は、パワートランジスタ、又は整流ダイオード等である。パワートランジスタには、例えばＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）が含まれる。半導体素子（24）は、ボンディングワイヤ（26）によって金属層（16）の一部に電気的に接続されている。
絶縁基板（12）の他方の主面（下面）には、金属層（14）が形成されている。金属層（14）は、導電性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金等）によって構成されている。金属ベース（42）は、伝熱性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金等）によって構成されている。半田層（32）は、金属ベース（42）と金属層（14）とを接合する。金属ベース（42）は、例えば矩形状に形成されている。
ケース(52)は、例えば筒状であって、絶縁基板（12）等を囲むように金属ベース（42）の上に形成されている。ケース（52）は、例えば樹脂によって構成されている。ケース（52）内の半導体素子（24）等は、水分、塵埃、接触等からの保護のために、封止材（54）によって封止されている。封止材（54）は、例えば、シリコン系のゲルや、エポキシ系のハードレジンである。リード（56）は、例えば金属製の板であって、ボンディングワイヤ（26）によって金属層（16）の一部に電気的に接続されている。
冷却器（72）は、例えば金属で構成されており、その内部に１つ以上の筒状の冷却通路（74）を有している。冷却器（72）は、冷却通路（74）に冷却液を流すことによって放熱を行う。半田層（62）は、金属ベース（42）と冷却器（72）とを接合する。ねじ（64）は、パワーモジュール（100）を冷却器（72）に固定する。冷却器付きパワーモジュールは、ねじ（64）を有していなくてもよい。
図２、図３、及び図４は、図１の冷却器付きパワーモジュールの製造方法における工程の例を示す断面図である。まず、図２に示されているように、冷却器（72）の面上に半田層（62）を配置する。この際には、例えば、冷却器（72）の上面にクリーム半田を塗布してもよいし、冷却器（72）の上に所定の形状の固体の半田を置いてもよい。
次に、図３に示されているように、半田層（62）の上にパワーモジュール（100）を載せ、金属ベース（42）と冷却器（72）との間の半田層（62）に、ばね付きねじ（66）で加圧する。この状態で、図３の半田層（62）等を、温度が半田層（62）の融点以上になるように加熱し、半田層（62）を溶融させる。加熱は、例えば、パワーモジュール（100）、半田層（62）、及び冷却器（72）の全体をリフロー炉に入れることによって行う。
ここで、半田層（62）の融点は、パワーモジュール（100）において金属ベース（42）の接合に用いられる半田層（32）の融点及び半導体素子（24）の接合に用いられる半田層（22）の融点より低い。半田層（62）を溶融させるときに半田層（22）及び半田層（32）が溶融しないようにするためである。
また、半田層（62）の融点は、パワーモジュール（100）の耐熱温度、すなわち、パワーモジュール（100）に含まれる、半導体素子（24）、ケース（52）、又は封止材（54）等の耐熱温度より低い。半田層（62）を溶融させるときにパワーモジュール（100）が機能を損なわないようにするためである。
更に、半田層（62）の融点は、半導体素子（24）の動作時の最大ジャンクション温度より低い。パワーモジュール（100）の動作中においても、半田層（62）の温度を冷却器（72）の温度に近い温度に保つことができるからである。これは、半田層（62）の熱伝導度が高いので半田層（62）と冷却器（72）との間の熱抵抗を低くすることができ、半田層（62）と半導体素子（24）との間に絶縁基板（12）が存在するので半田層と半導体素子（24）のジャンクションとの間の熱抵抗が高いからである。半田層（62）の融点が低いので、製造時の加熱を低温で行うことが可能となる。このため、低コストの設備で生産が可能であり、製造プロセスで半導体素子（24）に与えるダメージが小さくなる。
半田層（62）の融点は、パワーモジュール（100）の動作時のケース（52）の温度より高い。半田層（62）がパワーモジュール（100）のケース（52）と接する場合にも、動作時に半田層（62）が溶けないようにするためである。半田層（62）は、Ｓｎ（錫）及びＢｉ（ビスマス）を含む半田、Ｉｎ（インジウム）及びＳｎを含む半田、又はＩｎを含む半田のいずれかによって構成されていてもよい。
半田層（62）が、半導体素子（24）の下又はその近傍にのみ存在するようにしてもよい。パワーモジュール（100）が複数の半導体素子（24）を有する場合には、パワーモジュール（100）と冷却器（72）との間に複数の小面積の半田層（62）が形成される。半導体素子（24）の下以外にも半田層（62）が存在する場合に比べて、半田層（62）の面積が小さくなるので、半田の使用量を低減できる。半田層（62）の面積が小さいことにより、半田の熱膨張による影響が小さくなり、加熱プロセスにおいて半田層内部のホットボイドが生じにくくなる。
加熱した後、パワーモジュール（100）、半田層（62）、及び冷却器（72）をリフロー炉から出して放熱させ、半田層（62）を凝固させる。ばね付きねじ（66）を取り除くことによって金属ベース（42）と冷却器（72）との間の加圧を終了すると、図４のような冷却器付きパワーモジュールが得られる。金属ベース（42）と冷却器（72）との間に加圧していたので、金属ベース（42）と半田層（62）との間、及び、半田層（62）と冷却器（72）との間が密着し、かつ、半田層（62）が薄くなる。このため、金属ベース（42）と冷却器（72）との間の伝熱特性が向上する。
図１の冷却器付きパワーモジュールでは、絶縁基板（12）によって半導体素子(24)が冷却器（72）から絶縁されている。このため、この冷却器付きパワーモジュールを使用する装置全体の安全性が高くなる。
サーマルインターフェースマテリアルとしてグリースや液体金属が知られているが、これらは、常温やパワーモジュール（100）の動作時に液状となり得るので、振動、配置状態・経年変化等により流出したり、乾燥する可能性がある。すると、これらの熱伝導率が低下してしまう可能性がある。図１の冷却器付きパワーモジュールで用いられる半田層（62）は、常温やパワーモジュール（100）の動作時において固体であるので、このような問題は生じず、冷却効果を維持することができる。
パワーデバイスの冷却性能を高めるために、絶縁基板（12）を直接冷却器（72）に実装する技術が知られている。このような技術では、周囲の環境から保護されていない絶縁基板（12）を直接扱う必要があるため、ハンドリングが難しく、大掛かりな専用の設備を必要とする。本実施形態では、汎用のパワーデバイス（100）を冷却器（72）に接合するので、簡単な設備で製造が可能である。
本実施形態では、ばね付きねじを用いて加圧が行われる例について説明したが、これに代えて、例えば、重りをパワーモジュール（100）の上に載せることによって加圧してもよい。また、パワーモジュール（100）と冷却器（72）とを器具又はプレス機によって挟むことによって加圧してもよい。リフロー炉によって加熱する例について説明したが、これに代えて、例えば、マイクロ波を照射することによって半田層（62）を加熱してもよい。
以上のように、本実施形態によると、金属ベース（42）と冷却器（72）との間が半田層（62）で接合され、パワーモジュール（100）で発生した熱を冷却器（72）へ伝熱させやすい。また、半田層（62）の融点がパワーモジュール（100）内の半田層（22,32）の融点より低いので、製造の際に半田層（22,32）が溶融しないようにすることができる。したがって、パワーモジュール（100）の耐熱性を考慮しながら、パワーモジュール（100）の冷却の効率を高くすることができる。
本発明の多くの特徴及び優位性は、記載された説明から明らかであり、よって添付の特許請求の範囲によって、本発明のそのような特徴及び優位性の全てをカバーすることが意図される。更に、多くの変更及び改変が当業者には容易に可能であるので、本発明は、図示され記載されたものと全く同じ構成及び動作に限定されるべきではない。したがって、全ての適切な改変物及び等価物は本発明の範囲に入るものとされる。
以上説明したように、本発明は、半導体素子を有するパワーモジュール等について有用である。
１２ 絶縁基板
１４ 第１金属層
１６ 第２金属層
２４ 半導体素子
２２ 半田層（第３半田層）
３２ 半田層（第２半田層）
４２ 金属ベース
５２ ケース
５４ 封止材
６２ 半田層（第１半田層）
７２ 冷却器
１００ パワーモジュール

Claims (14)

  1. 半導体素子(24)及び金属ベース（42）を含むパワーモジュール（100）と、冷却器（72）と、を有する冷却器付きパワーモジュールの製造方法であって、
    前記冷却器（72）の面上に第１半田層（62）を配置し、
    前記半田層（62）の上に前記パワーモジュール（100）の前記金属ベース（42）を配置し、
    温度が前記第１半田層（62）の融点より高くなるように前記第１半田層（62）を加熱し、
    温度が前記第１半田層（62）の融点より低くなるまで前記第１半田層（62）を放熱させ、
    前記第１半田層（62）の融点は、前記金属ベース（42）の接合に用いられる第２半田層（32）の融点及び前記半導体素子（24）の接合に用いられる第３半田層（22）の融点より低い
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  2. 請求項１に記載の製造方法において、
    前記パワーモジュール（100）内の半導体素子は、封止材（54）によって封止されている
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  3. 請求項１又は２に記載の製造方法において、
    少なくとも加熱から放熱終了までの期間、前記金属ベース（42）と前記冷却器（72）との間を加圧する
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  4. 請求項３に記載の製造方法において、
    前記加圧は、ばね付きねじを用いて行われる
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  5. 請求項３に記載の製造方法において、
    前記加圧は、重りを用いて行われる
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  6. 請求項３に記載の製造方法において、
    前記加圧は、プレス機を用いて行われる
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法において、
    前記加熱は、リフロー炉を用いて行われる
    冷却器付きパワーモジュールの製造方法。
  8. 金属ベース（42）を有するパワーモジュール（100）と、
    放熱を行う冷却器（72）と、
    前記金属ベース（42）と冷却器（72）とを接合する第１半田層（62）とを備え、
    前記パワーモジュール（100）は、
    絶縁基板（12）と、
    半導体素子(24)と、
    前記絶縁基板（12）の一方の面に形成された第１金属層（14）と、
    前記絶縁基板（12）の他方の面に形成された第２金属層（16）と、
    前記第１金属層（14）と前記金属ベース（42）とを接合する第２半田層（32）と、
    前記第２金属層（16）と前記半導体素子（24）とを接合する第３半田層（22）とを有し、
    前記第１半田層（62）の融点は、前記第２半田層（32）の融点及び前記第３半田層（22）の融点より低い
    冷却器付きパワーモジュール。
  9. 請求項８に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記第１半田層（62）の融点は、前記半導体素子（24）の動作時の最大ジャンクション温度より低い
    冷却器付きパワーモジュール。
  10. 請求項８又は９に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記第１半田層（62）の融点は、前記パワーモジュール（100）の動作時のケース（52）の温度より高い
    冷却器付きパワーモジュール。
  11. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記第１半田層（62）の融点は、パワーモジュール（100）の耐熱温度より低い
    冷却器付きパワーモジュール。
  12. 請求項８〜１１のいずれか１項に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記冷却器（72）は、冷却通路（74）を有し、前記冷却通路（74）に冷却液を流すことによって放熱を行う
    冷却器付きパワーモジュール。
  13. 請求項１２に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記第１半田層（62）は、前記半導体素子（24）の下又はその近傍にのみ存在する
    冷却器付きパワーモジュール。
  14. 請求項８〜１３のいずれか１項に記載の冷却器付きパワーモジュールにおいて、
    前記第１半田層（62）は、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎのいずれかを含む
    冷却器付きパワーモジュール。
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