JP2015002187A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】両面冷却方式の圧接型の半導体モジュールにおいて、冷却器と導体との絶縁性を高めて、当該モジュールを小型化及び薄型化する。【解決手段】半導体素子２ａ，２ｂに電気的に接続される導体３，４に絶縁部材１２を介して冷却器６が配置される半導体モジュール１において、半導体素子２ａ，２ｂを格納し、冷却器６に熱的に接続されるパッケージ部７を備える。このパッケージ部７の側面部７１には導体３，４，５を導出させる導出穴７３ａ，７３ｂ，７３ｃが形成されたフィン部７２ａ，７２ｂ，７２ｃが当該パッケージ部７の外方向に突設されている。一方、側面部７１及びフィン部７２ａ，７２ｂ，７２ｃの内部には導体３，４，５と当該側面部７１及びフィン部７２ａ，７２ｂ，７２ｃの内面との間で絶縁性を確保させる中空部７４が前記導出穴７３ａ，７３ｂ，７３ｃと連通して形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は半導体モジュールの構造、特にパワー半導体モジュールの圧接構造に関する。

代表的な絶縁型パワー半導体モジュールとして、インバータ等の電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶縁型パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」はそれぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。

例えば、非特許文献１に開示された一般的な絶縁型パワー半導体モジュールは、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子がその下面電極層を介してＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板の銅回路箔上にはんだ付けされる。ＤＢＣ基板はセラミックス等からなる絶縁板の両面に銅回路箔が直接接合されたものである。ＤＢＣ基板はその放熱のために銅ベースに対してはんだ部を介して接続される。

はんだを用いた絶縁型パワー半導体モジュールの課題として以下の二つの課題がある。第一の課題は、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するために、はんだ成分の鉛フリー化である。第二の課題は温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させることである。第一の課題に対しては、鉛を含んでいないはんだ材料としてＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。

また、はんだ接続を採用していない半導体モジュールとして平型圧接構造パッケージが知られている（非特許文献１，２等）。平型圧接構造パッケージの場合、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンク間とで電気的に絶縁する必要がある。また、この圧接は板バネで行うがその設計圧接力は平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにする必要がある。圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊につながる。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のため板バネが小型化の妨げとなるなど使いこなすには熟練を要する。

このことから平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手のよい前記絶縁型パワー半導体モジュールが広く用いられていた。

第二の課題である温度サイクル、パワーサイクル等への信頼性を向上するには、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張の違いにより生じる問題を解決する必要がある。すなわち、ＤＢＣ基板‐銅ベース間、ＤＢＣ基板‐銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大し、端子が剥離する虞がある。さらに、半導体素子‐ＤＢＣ基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。条件によっては半導体素子上のアルミワイヤーの接続部でも、アルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤーが疲労破断する。

近年、年々電力密度が増すこと及び半導体素子内部の接合温度が高くなっていることから、はんだ接合部のせん断応力、アルミワイヤーにかかる応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間の間は顕在化しないようにする必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現によりさらに熱膨張の影響の低減が要求される。

高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、圧接のようにはんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いないで、且つ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールの実現が求められている。また、ＳｉＣ、ＧａＮ等の高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。

そこで、はんだ接合またはワイヤー接続を採用しないで両面冷却が容易に実現可能であり放熱性の面で有利な両面冷却圧接型半導体モジュールが提案されている（例えば特許文献１）。

図３に例示された両面冷却圧接型の半導体モジュール８０は、水冷式の冷却機構を採用した半導体モジュールであって、半導体素子２ａ，２ｂに電気的に接続される導体３，４に絶縁部材１２を介して冷却器８２が配置されている。冷却器８２には冷媒として冷却水を流通させる流通路８３が形成されている。

半導体素子２ａ，２ｂの両面に対しては、スプリングあるいはボルト，ねじからなる固定部材１０によって均一な圧接力がかかるように設計されている。この半導体ジュール８０のソース／エミッタ電極，ドレイン／コレクタ電極として機能する導体３，４は半導体素子２ａ，２ｂに形成されたソース／エミッタ層２１，アノード層２５に直接またはＭｏのような熱応力緩和作用のある材料からなる電極ポスト２２，２７を介してパッケージ部８１の外部へ導出されている。そして、このパッケージ部８１内の導体３，４の半導体素子２ａ，２ｂと接している部分には図示の太矢印で示した圧接応力が印加されている。また、ゲート電極として機能する導体５も、半導体素子２ａに形成されたゲート電極層２３から、絶縁部材８によって圧接された状態でパッケージ部８１の外部へ導かれる。このような構造はモジュールの寿命を左右するはんだやワイヤーボンドを用いていないので長寿命なパワー半導体モジュールとなる。

電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会編,「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」，コロナ社，１９９６．７，ｐ.２８９，ｐ.３３６ 森 睦宏、関 康和，「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」，電気学会誌Ｖｏｌ．１１８，１９９８，ｐ２７６

特開２００１−２６７４８１号公報 特開２０１１−３６３６号公報 特開２０００−２３６０４７号公報

従来の圧接型の半導体モジュールにおいて水冷式の冷却機構を適用する場合、冷却器を介した半導体素子両端の短絡を防ぐために、冷却器と主電極を絶縁する必要がある。そこで、図３に示した半導体モジュール８０のように、導体３，４と冷却器８２との間に絶縁板５を介在させて絶縁する構造が必要となる。

この絶縁を確実なものとするために、導体３，４と冷却器８２の間の沿面距離Ｄ４、導体３，４間の沿面距離Ｄ５を規定の値に設計する必要があるが、従来の両面冷却の構造では、片面冷却に比べ前記沿面距離を２倍にする必要がある。ゆえに、この沿面距離の拡大は圧接型の半導体モジュールを小型化、特に薄型化の妨げとなる。

また、半導体モジュール８０の２００℃以上の高温での使用において高信頼性が要求される場合、当該モジュール８０のパッケージ部８１をロウ付け材８４によるロウ付けによって気密封止する必要となるが、このロウ付けからの距離を規定の値に確保する必要があり、小型化の妨げとなる。前記気密封止は前記モジュール８０の内部部品が高温により酸化するのを防ぐためにドライ窒素等で前記パッケージ内の雰囲気を置換する必要があるためである。

さらに、導体３，４間の距離を広げると寄生インダクタンスが大きくなり、スイッチング時のサージ電圧を大きくし、損失の増大や逆バイアスの安全動作領域が狭くなる。

また、パッケージ部８１の内部の沿面距離Ｄ６を増やそうとすると、半導体モジュール１の大型化を避けるために、冷却器８２を縮小化せざるをえなくなる。

本発明は、以上の事情に鑑みなされたもので、両面冷却方式の圧接型の半導体モジュールにおいて、冷却器と導体との絶縁性を向上させて、当該モジュールの小型化及び薄型化の実現を図ることを課題とする。

そこで、本発明の半導体モジュールは、半導体素子に電気的に接続される導体に絶縁部材を介して冷却器が配置される半導体モジュールにおいて、前記半導体素子を格納し、前記冷却器に熱的に接続されるパッケージ部を備え、このパッケージ部の側面部には前記導体を導出させる導出穴が形成されたフィン部が当該パッケージ部の外方向に突設され、前記側面部及びフィン部の内部には前記導体と当該側面部及びフィン部の内面との間で絶縁性を確保させる中空部が前記導出穴と連通して形成されている。

本発明によれば、前記冷却器と熱的に接続されたパッケージ部の内面の沿面距離が拡大しているので、当該冷却器と前記導体との絶縁性が高まる。

前記パッケージ部の内面の沿面距離は前記導体と前記冷却器との間の定格絶縁電圧を確保できる距離に設定されるとよい。本態様によれば、前記冷却部と前記導体との間において所定の定格絶縁電圧の絶縁性を確保できる。

前記導体は前記導出穴の内面にロウ付け材によってロウ付け固定されるとよい。本態様によれば、前記冷却部と前記導体との絶縁性を維持できる。

以上の発明によれば、両面冷却方式の圧接型の半導体モジュールにおいて、冷却器と導体との絶縁性が高まり、当該モジュールを小型化及び薄型化できる。

本発明の第一の実施形態における半導体モジュールの縦断面図。 上記実施形態における半導体モジュールのＡ−Ａ断面図。 従来の両面冷却圧接型の半導体モジュールの縦断面図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態の半導体モジュールについて説明する。尚、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく特許請求の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１，図２に例示した本実施形態の半導体モジュール１は、半導体素子２ａ，２ｂに電気的に接続される導体３，４にそれぞれ絶縁部材１２を介して冷却器６が配置された半導体モジュールであって、半導体素子２ａ，２ｂを格納した状態で冷却器６に熱的に接続されるパッケージ部７を備える。

パッケージ部７は周知の絶縁性のセラミックスまたは樹脂材料により形成された例えば矩形状の筒体からなる。このパッケージ部７の側面部７１には、導体３を導出させる導出穴７３ａが形成されたフィン部７２ａと、導体４を導出させる導出穴７３ｂが形成されたフィン部７２ｂが、パッケージ部７の外方向水平に突設されている。一方、前記側面部７１と反対側の側面部７１には、導体５を導出させる導出穴７３ｃが形成されたフィン部７２ｃが、パッケージ部７の外方向水平に突設されている。

フィン部７２ａ〜７２ｃはその上面が下方に傾斜する一方で下面が上方に傾斜するテーパ状に形成され、その先端部から導出穴７３ａ〜７３ｃが開口した状態となっている。パッケージ部７の側面部７１及びフィン部７２ａ〜７２ｃの内部には導体３〜５と当該側面部７１及びフィン部７２ａ〜７２ｃの内面との間で絶縁性を確保させる中空部７４が導出穴７３ａ〜７３ｃと連通して形成されている。例えば、側面部７１における中空部７４の内面と導体３〜５との距離Ｄ０は前記絶縁性が確保される０．５ｍｍ以上となるように規定される。

また、パッケージ部７の内面の沿面距離Ｄ１は導体３〜５と冷却器６との間の定格絶縁電圧を確保できる距離に設定されている。さらに、導体３〜５はそれぞれ導出穴７３ａ〜７３ｃの内面に銀、銅、アルミニウム等に例示される周知の導電材料または導体３〜５と同種の材料からなるロウ付け材７５によってロウ付け固定されている。

半導体素子２ａはＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴに例示される半導体素子である。この素子２ａの一方の面に形成されたソース／エミッタ層２１には、ソース／エミッタ電極として機能する導体３がソース／エミッタ電極ポスト２２を介して電気的に接続されている。また、この一方の面に形成されたゲート電極層２３には、ゲート電極として機能する導体５が接続されている。導体３，５間には絶縁部材８を介在させている。一方、この素子２ａの他方の面に形成されたドレイン／コレクタ層２４には、ドレイン／コレクタ電極として機能する導体４が電気的に接続されている。

半導体素子２ｂはＦＷＤに例示される半導体素子である。この素子２ｂの一方の面に形成されたアノード層２５には導体３がアノード電極ポスト２７を介して電気的に接続されている。また、この素子２ｂの他方の面に形成されたドレイン／コレクタ層２６には導体４が電気的に接続されている。

冷却器６は、例えば矩形ブロック状を成し、アルミ合金等に例示される放熱性に優れた周知の材料からなる。冷却器６の内部には冷媒の流通路６１が複数形成されている。冷却器６は、図示の太矢印で示したように、封止部材９を介してパッケージ部７を上下方向から挟み、さらに、このパッケージ部７の両端開口部を閉塞させた状態で、ボルト，ナットとからなる固定部材１０によって連結されている。

以上のように半導体モジュール１によれば、冷却器６と熱的に接続されたパッケージ部７の側面部７１にフィン部７２ａ〜７２ｃが突設され、その内部に中空部７４が形成されているので、パッケージ部７内の沿面距離Ｄ１が従来の半導体モジュール８０のパッケージ部８１内の沿面距離Ｄ６と比べて拡大した状態となっている。したがって、冷却器６と導体３〜５との絶縁性が高まり、半導体モジュール１の小型化及び薄型化が実現する。

特に、本実施形態においては、導体３〜５をそれぞれ導出させるフィン部７２ａ〜７２ｃが側面部７１から外方向水平に突設されている。これにより、半導体モジュール１外部の導体３〜５と冷却器６との沿面距離Ｄ２及び同外部の導体３，４間の沿面距離Ｄ３が外方向水平に拡張した分だけ当該モジュール１の厚み方向の薄型化が実現する。

さらに、パッケージ部７内の沿面距離Ｄ１は導体３〜５と冷却器６との間の定格絶縁電圧を確保できる距離に規定されているので、冷却器６と導体３〜５との間において所定の定格絶縁電圧の絶縁性を確保できる。

そして、導体３〜５は導出穴７３ａ〜７３ｃの内面にロウ付け材７５によって固定されているので、冷却部６と導体３〜５との絶縁性を維持できる。

１…半導体モジュール
２ａ,２ｂ…半導体素子
３〜５…導体
１２…絶縁部材
６…冷却器
７…パッケージ部、７１…側面部、７２ａ〜７２ｃ…フィン部、７３ａ〜７３ｃ…導出穴、７４…中空部、７５…ロウ付け材
１１…接着剤
Ｄ１〜Ｄ３…沿面距離

Claims (3)

1. 半導体素子に電気的に接続される導体に絶縁部材を介して冷却器が配置される半導体モジュールにおいて、
   前記半導体素子を格納し、前記冷却器に熱的に接続されるパッケージ部を備え、
   このパッケージ部の側面部には前記導体を導出させる導出穴が形成されたフィン部が当該パッケージ部の外方向に突設され、
   前記側面部及びフィン部の内部には前記導体と当該側面部及びフィン部の内面との間で絶縁性を確保させる中空部が前記導出穴と連通して形成されたこと
   を特徴とする半導体モジュール。
2. 前記パッケージ部の内面の沿面距離は前記導体と前記冷却器との間の定格絶縁電圧を確保できる距離に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記導体は前記導出穴の内面にロウ付け材によってロウ付け固定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。

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