JP2015126168A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁回路基板と放熱部材との応力を低減し、放熱性及び信頼性が向上した小型のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【解決手段】本発明のパワーモジュール１００は、表側にパワー半導体素子９１、９２が搭載された絶縁基板（セラミック基板２）と、冷却フィン１１が設けられるとともに絶縁基板（セラミック基板２）の裏側に接合された放熱部材１と、を備え、放熱部材１は、絶縁基板（セラミック基板２）と対向する側に、外周部に連通したスリット１３によって分割された接合ブロック１２と、冷却フィン１１が設けられた冷却フィン部１５とを有し、絶縁基板（セラミック基板２）は、接合ブロック１２における当該絶縁基板（セラミック基板２）との対向する面に接合されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電及び送電から効率的なエネルギーの利用及び再生まであらゆる場面で利用されるパワーモジュールに関する。
産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品にパワーモジュールが普及しつつあり、自動車用機器については、小型軽量化とともに高い信頼性が求められる。また、パワーモジュールに搭載されるパワー半導体素子として、動作温度が高く、効率に優れているＳｉＣ（炭化ケイ素）半導体素子が、今後の主流となる可能性の高い。このため、パワーモジュールは、ＳｉＣ半導体素子に適用できるパッケ−ジ形態であることも同時に求められている。
特許文献１には、半導体素子が搭載された絶縁基板（絶縁回路基板）とヒートシンクとの間に応力緩和部材が設けられるとともに、絶縁基板とヒートシンクとが熱伝導可能に結合された半導体装置が記載されている。応力緩和部材は、アルミニウムからなり、半導体素子が搭載された部分以外に、厚み方向のみに貫通する複数の貫通孔、又は厚み方向に開口を有する有底穴が形成されている。
特許第５１１４３２３号公報（０００８段、００２３段〜００２６段、図１、図２）
パワーモジュールは、高電圧及び大電流を扱うパワー半導体素子を搭載しているという特徴があり、生じた熱を効率的に廃熱する必要がある。自動車用機器としては、軽量化の要求からアルミニウム製の冷却器への接続が必須となっている。パワー半導体素子を搭載するセラミック基板等の絶縁回路基板は、一般的にその表面及び裏面に銅の導電体が形成されている。アルミニウムは熱膨張係数が銅に比較して大きく、パワー半導体素子やセラミック基板との膨張係数差が大きいため、アルミニウム製の冷却器（放熱部材）とセラミック基板との界面の接合部には熱応力に伴う剥離など長期信頼性面での懸念があった。
特許文献１の半導体装置では、絶縁基板とヒートシンクとの間に設けられた応力緩和部材に貫通孔や有底穴等の開口部を形成することで、応力緩和部材に柔軟性をもたせ、伸縮差に追従させているが、この開口部は絶縁基板とヒートシンクとの接合後に空隙となり、この空隙のために熱伝導を阻害すると考えられる。また、特許文献１の応力緩和部材は、半導体素子が搭載された部分の直下には開口部が形成されないので、応力緩和部材の面積は大きく、半導体装置が大きくなる問題があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、絶縁回路基板と放熱部材との応力を低減し、放熱性及び信頼性が向上した小型のパワーモジュールを得ることを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、表側にパワー半導体素子が搭載された絶縁基板と、冷却フィンが設けられるとともに絶縁基板の裏側に接合された放熱部材と、を備え、放熱部材は、絶縁基板と対向する側に、外周部に連通したスリットによって分割された接合ブロックと、冷却フィンが設けられた冷却フィン部とを有し、絶縁基板は、接合ブロックにおける当該絶縁基板との対向する面に接合されたことを特徴とする。
本発明のパワーモジュールによれば、放熱部材が絶縁基板と対向する側に外周部に連通したスリットによって分割された接合ブロックを有するので、絶縁回路基板と放熱部材との応力が低減し、小型であっても放熱性及信頼性を向上せることができる。
本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態１による放熱部材の斜視図である。 図２の放熱部材の上面図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態１による他のパワーモジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面模式図である。 図８のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図８のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態２による第２のパワーモジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態２による第３のパワーモジュールの断面模式図である。 本発明の実施の形態２による第４のパワーモジュールの断面模式図である。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面模式図である。図２は本発明の実施の形態１による放熱部材の斜視図であり、図３は図２の放熱部材の上面図である。パワーモジュール１００は、パワー半導体素子９１、９２と、パワー半導体素子９１、９２が搭載されたセラミック基板２と、ろう材３にてセラミック基板２に接続された放熱部材１と、外部端子６、７と、ケース５と、絶縁性高放熱性のペースト７１と、パワー半導体素子９１、９２を封止する封止樹脂であるポッティング封止樹脂７２と、ウォータージャケット４とを備える。パワー半導体素子９１は、パワー半導体素子９２及び外部端子７に接続部材であるボンディングワイヤ８１により接続され、パワー半導体素子９２は、外部端子６に接続部材であるボンディングワイヤ８２により接続される。
放熱部材１は、複数の冷却フィン１１を有する冷却フィン部１５と、複数のスリット１３で分割された複数の小ブロック１４を有する接合ブロック１２とを備える。放熱部材１はアルミニウム製であり、その外形寸法は例えば、１００ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ２０ｍｍである。冷却フィン１１の１本は、例えば２ｍｍ角で高さ１０ｍｍである。冷却フィン１１の数は、例えば４００本である。接合ブロック１２は、例えば９個の小ブロック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉを有し、接合ブロック１２の外形寸法は例えば、６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍである。接合ブロック１２は、幅１ｍｍの４本のスリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで分割されている。なお、小ブロックの符号は、総括的に１４を用い、区別して説明する場合に１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉを用いる。スリットの符号は、総括的に１３を用い、区別して説明する場合に１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを用いる。
セラミック基板２は、絶縁回路基板であり、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）製のセラミック基材２３の両面に、厚さ０．４ｍｍのアルミニウムの導体層２１及び導体層２２が積層されている。セラミック基材２３は、その外形寸法は例えば、６５ｍｍ×６５ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍである。
パワーモジュール１００の製造方法について、図１、図４〜図６を用いて説明する。図４、図５、図６は、それぞれ図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。パワーモジュール１００は、図４、図５、図６の中間状態を経て、図６の最終形になる。セラミック基板２を、図４に示すように、ろう材３を用いて放熱部材１に位置決めして接合する。ろう材３の材料は、例えばＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）である。
次に、図５に示すように、外部端子６及び外部端子７が形成されたケース５を、放熱部材１の外周部１６に搭載する。その後、絶縁性高放熱性のペースト７１を、スリット１３の内部に、かつ放熱部材１及びセラミック基板２とケース５との隙間に、充填されるように流し込み、オ−ブンでキュアして硬化させる。冷却フィン部１５の外周部１６とケース５との隙間、接合ブロック１２の外周部及びセラミック基板２の外周部とケース５との隙間に充填されたペースト７１が硬化することで、ケース５が放熱部材１に固定される。外部端子６、７は、例えばＮｉ（ニッケル）めっきＣｕ（銅）フレ−ムである。ケース５は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）製のインサートモールド形成品である。絶縁性高放熱性のペースト７１は、空気よりも放熱性を高めることができるペースト部材であり、かつ放熱部材１よりも弾性係数の低いペースト部材である。
次に、図６に示すように、Ｓｉ製ダイオードであるパワー半導体素子９１及びＳｉ製ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるパワー半導体素子９２を、はんだを用いてセラミック基板２の導体層２１にダイボンドし、ボンディングワイヤ８１及びボンディングワイヤ８２を用いて、パワー半導体素子９１、９２における主電極及び信号電極をケース５の外部端子６、７に接続して電気回路を形成する。パワー半導体素子９１及びパワー半導体素子９２の外形寸法は、いずれも例えば、１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。はんだは、例えば住金属製Ｍ７０５（Ｓｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ）である。ボンディングワイヤ８１は、例えばアルミニウム製で、φ０．４ｍｍであり、ボンディングワイヤ８２は、例えばアルミニウム製、φ０．１５ｍｍである。
最後に、図１に示すように、ポッティング封止樹脂７２を用いて、パワー半導体素子９１、９２やボンディングワイヤ８１、８２を覆うように絶縁封止し、ウォータージャケット４を放熱部材１に水密接着剤を用いて接着して、放熱部材１とウォータージャケット４を備えた冷却器とすることで、パワーモジュール１００が完成する。ウォータージャケット４は、例えばＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂）製である。
実施の形態１のパワーモジュール１００は、放熱部材１におけるセラミック基板２と対向する側に、外周部に連通したスリット１３によって分割された接合ブロック１２を備え、この接合ブロック１２とセラミック基板２を接合するので、開口部による空隙のために熱伝導を阻害したり、応力緩和部材の面積が大きいために半導体装置が大きくなったりする従来とは異なり、放熱部材１とセラミック基板２との接合部における熱応力を低減し、小型であっても放熱性及信頼性を向上せることができる。
放熱部材１は、接合ブロック１２から冷却フィン１１まで接合界面のない一体放熱部材とするのが好適である。放熱部材１は、アルミニウム部材から、切削によって冷却フィン１１やスリット１３が形成される。放熱部材１を一体放熱部材とすることで、接合ブロック１２と冷却フィン部１５との間の接合界面をなくすことができ、接合界面を含む結合部の大きな熱抵抗をなくすことができ、放熱部材１を製造する際のプロセスの簡略化と剥離等の不具合の発生要因を減らすことが可能となる。
特許文献１の半導体装置では、その製造工程で、絶縁基板と応力緩和部材との接合界面及び応力緩和部材とヒートシンクとの接合界面が増えるため、生造上のプロセス増加や不具合発生要因の増大を招く可能性があった。しかし、上述したように、実施の形態１の放熱部材１は、一体放熱部材とすることで、接合ブロック１２と冷却フィン部１５との間の接合界面をなくすことができ、接合界面を含む結合部の大きな熱抵抗をなくすことができ、放熱部材１を製造する際のプロセスの簡略化と不具合の発生要因を減らすことが可能となる。
実施の形態１のパワーモジュール１００は、外周部に連通したスリット１３に、空気よりも放熱性を高めることができる部材である絶縁性高放熱性のペースト７１を充填することで、放熱部材１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減しつつ、スリット１３の放熱性の改善を図ることが可能となる。また、実施の形態１のパワーモジュール１００は、絶縁性高放熱性のペースト７１を流し込んだ後に硬化させることで、放熱性と信頼性の向上を図ることが可能となる。
実施の形態１のパワーモジュール１００は、外周部に連通したスリット１３に、放熱部材１よりも弾性係数の低い部材である絶縁性高放熱性のペースト７１を充填することで、放熱部材１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減しつつ、界面のひずみに対する追従性を高めて高信頼化を図ることが可能となる。
なお、放熱部材１の製造方法は、アルミニウム部材から切削する方法に限定されない。例えば、鍛造や鋳造などの工法で冷却フィン１１やスリット１３が形成されても同様の効果が得られる。
また、アルミニウムの素材としては、純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０）のほかに、ＪＩＳ５０５２やＪＩＳ６０６３などのアルミニウム合金でも同様の効果が得られ、アルミニウムに限らず切削や鋳造などの加工が可能であれば銅や鉄系金属や合金でも同様の効果が得られる。
さらに、図７に示すように、接合ブロック１２１のみを銅とした銅アルミニウムクラッド材を元に、切削加工して放熱部材１を製造しても構わない。図７は、本発明の実施の形態１による他のパワーモジュールの断面模式図である。図７のパワーモジュール１００における放熱部材１は、接合ブロック１２１のみを銅とした銅アルミニウムクラッド材を元に、切削加工して放熱部材１を製造したものである。このように、スリット１３を形成した接合界面部分である接合ブロック１２１が、放熱部材１とセラミック基板２の中間の熱膨張係数を有する別の部材で構成されることで、セラミック基板２に近い部分である接合ブロック１２１は、熱膨張係数がアルミニウムに比べて小さくなるので接合ブロック１２１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減する。
また、図７の放熱部材１は、全体を銅で製造するのに比べると大幅に軽量化が可能となる。図７の放熱部材１の場合は、界面抵抗が十分に小さい接合方法であれば、後から銅製の接合ブロック１２１をアルミニウム製の冷却フィン部１５に対して接合を行っても同様の効果が得られる。この場合、接合ブロック１２１は一体物として、スリット１３は浅めに形成するように加工することで、生産性の確保が容易となる。
ここでは、ボンディングワイヤ８１、８２としてアルミニウムを用いたが、銅ワイヤやアルミニウム被覆銅ワイヤを用いることで、さらなる信頼性の向上を得ることが可能となる。また、ワイヤボンディング工法に替えてリボンボンディングによっても電気回路の形成が可能であり、バスバーを用いた主電極回路の形成も可能である。
また、ウォータージャケット４を用いた水冷パワーモジュールに限らず、冷却フィン１１を空冷フィンとして用いても同様の効果が得られる。ケース５と放熱部材１との間には、絶縁性高放熱性のペースト７１の流れを止める接着剤を塗布することで、漏れを防止することも可能である。
セラミック基板２は、基材がＡｌＮである例で説明したが、アルミナやＳｉＣ、ＳｉＮ（Ｓｉ３Ｎ４、窒化ケイ素）などの絶縁基板基材を用いても同様の効果が得られる。導体層２１、２２はアルミニウムを用いたが、銅やニッケルでも同様の効果が得られる。また、ポッティング封止による絶縁封止に替えて、液状ゲルや耐熱ゴムを用いた封止によっても同様の効果が得られる。ここで用いた絶縁性高放熱性のペースト７１については、導電性タイプを用いることでさらなる高熱伝導を期待することが可能となる。
パワー半導体素子９１、パワー半導体素子９２は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。パワー半導体素子９２は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子として機能するパワー半導体素子９２と、整流素子として機能するパワー半導体素子９１に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、パワーモジュール１００の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワーモジュール１００の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、冷却フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、冷却フィンを備えたパワーモジュール１００の一層の小型化が可能になる。
以上のように、実施の形態１のパワーモジュール１００は、表側にパワー半導体素子９１、９２が搭載された絶縁基板（セラミック基板２）と、冷却フィン１１が設けられるとともに絶縁基板（セラミック基板２）の裏側に接合された放熱部材１と、を備え、放熱部材１は、絶縁基板（セラミック基板２）と対向する側に、外周部に連通したスリット１３によって分割された接合ブロック１２と、冷却フィン１１が設けられた冷却フィン部１５とを有し、絶縁基板（セラミック基板２）は、接合ブロック１２における当該絶縁基板（セラミック基板２）との対向する面に接合されたことを特徴とするので、外周部に連通したスリット１３によって分割された接合ブロックにより、絶縁回路基板（セラミック基板２）と放熱部材１との応力が低減し、小型であっても放熱性及信頼性を向上せることができる。
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面模式図である。実施の形態２のパワーモジュール１００は、封止樹脂であるトランスファモールド樹脂６５で封止されたパワーモジュールである。実施の形態２のパワーモジュール１００は、図１のケース５、外部端子６、７が、それぞれトランスファモールド樹脂６５、リードフレーム６１、６２に変更された点で異なる。実施の形態２のパワーモジュール１００は、パワー半導体素子９１、９２と、パワー半導体素子９１、９２が搭載されたセラミック基板２と、ろう材３にてセラミック基板２に接続された放熱部材１と、リードフレーム６１、６２と、絶縁性高放熱性のペースト７１と、パワー半導体素子９１、９２を封止するトランスファモールド樹脂６５と、ウォータージャケット４とを備える。パワー半導体素子９１は、パワー半導体素子９２及びリードフレーム６２にボンディングワイヤ８１により接続され、パワー半導体素子９２は、リードフレーム６１にボンディングワイヤ８２により接続される。放熱部材１、セラミック基板２は、実施の形態１で説明したものである。
実施の形態２のパワーモジュール１００の製造方法について、図４、図８〜図１０を用いて説明する。図９、図１０は、それぞれ図８のパワーモジュールの製造過程を示す図である。パワーモジュール１００は、図４、図９、図１０の中間状態を経て、図８の最終形になる。セラミック基板２を、図４に示すように、ろう材３を用いて放熱部材１に位置決めして接合する。ろう材３の材料は、例えばＡｌ−Ｓｉである。便宜上、放熱部材１にセラミック基板２が接合された製造中間物を、製造中間物Ａとする。
次に、図９に示すように、図示しない治具を用いて、製造中間物Ａをリードフレーム６１及びリードフレーム６２に対して位置決めし、絶縁性高放熱性のペースト７１を、スリット１３の内部に、かつ冷却フィン部１５の外周部１６、接合ブロック１２の外周部及びセラミック基板２の外周部とリードフレーム６１、６２との隙間に充填されるように流し込み、ペースト７１によりリードフレーム６１、６２も接着し、オーブンでキュアして硬化させる。冷却フィン部１５の外周部１６、接合ブロック１２の外周部及びセラミック基板２の外周部とリードフレーム６１、６２との隙間に充填されたペースト７１が硬化することで、リードフレーム６１、６２が製造中間物Ａに固定される。リードフレーム６１及びリードフレーム６２は、例えばＮｉめっきＣｕフレ−ムであり、その厚さは０．６ｍｍである。
次に、実施の形態１で説明したのと同様に、パワー半導体素子９１及びパワー半導体素子９２を、はんだを用いてセラミック基板２の導体層２１にダイボンドし、ボンディングワイヤ８１及びボンディングワイヤ８２を用いて、パワー半導体素子９１、９２における主電極および信号電極をリードフレーム６１、６２に接続して電気回路を形成する。パワー半導体素子９１、９２、はんだ、ボンディングワイヤ８１、８２は、実施の形態１で説明したものである。
次に、図１０に示すように、トランスファモ−ルド封止用の金型６３及び金型６４で、図９の製造中間物のリードフレーム６１、６２を保持する。その後、図８のように、トランスファモールド樹脂６５によってパワー半導体素子９１、９２やボンディングワイヤ８１、８２を覆うように絶縁封止し、ウォータージャケット４を放熱部材１に水密接着剤を用いて接着して、放熱部材１とウォータージャケット４を備えた冷却器とすることで、パワーモジュール１００が完成する。ウォータージャケット４は、実施の形態１で説明したものである。
実施の形態２のパワーモジュール１００は、実施の形態１と同様に、放熱部材１におけるセラミック基板２と対向する側に、外周部に連通したスリット１３によって分割された接合ブロック１２を備え、この接合ブロック１２とセラミック基板２を接合するので、放熱部材１とセラミック基板２との接合部における熱応力を低減し、小型であっても放熱性及信頼性を向上せることができる。
実施の形態２においても放熱部材１は、接合ブロック１２から冷却フィン１１まで接合界面のない一体放熱部材とするのが好適である。放熱部材１は、アルミニウム部材から、切削によって冷却フィン１１やスリット１３が形成される。放熱部材１を一体放熱部材とすることで、接合ブロック１２と冷却フィン部１５との間の接合界面をなくすことができ、接合界面を含む結合部の大きな熱抵抗をなくすことができ、放熱部材１を製造する際のプロセスの簡略化と剥離等の不具合の発生要因を減らすことが可能となる。
上述したように、実施の形態２の放熱部材１は、一体放熱部材とすることで、接合ブロック１２と冷却フィン部１５との間の接合界面をなくすことができ、接合界面を含む結合部の大きな熱抵抗をなくすことができ、放熱部材１を製造する際のプロセスの簡略化と不具合の発生要因を減らすことが可能となる。
実施の形態２のパワーモジュール１００は、外周部に連通したスリット１３に、空気よりも放熱性を高めることができる部材である絶縁性高放熱性のペースト７１を充填することで、放熱部材１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減しつつ、スリット１３の放熱性の改善を図ることが可能となる。また、実施の形態２のパワーモジュール１００は、絶縁性高放熱性のペースト７１を流し込んだ後に硬化させることで、放熱性と信頼性の向上を図ることが可能となる。
実施の形態２のパワーモジュール１００は、外周部に連通したスリット１３に、放熱部材１よりも弾性係数の低い部材である絶縁性高放熱性のペースト７１を充填することで、放熱部材１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減しつつ、界面のひずみに対する追従性を高めて高信頼化を図ることが可能となる。
なお、放熱部材１の製造方法は、アルミニウム部材から切削する方法に限定されない。例えば、鍛造や鋳造などの工法で冷却フィン１１やスリット１３が形成されても同様の効果が得られる。
また、アルミニウムの素材としては、純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０）のほかに、ＪＩＳ５０５２やＪＩＳ６０６３などのアルミニウム合金でも同様の効果が得られ、アルミニウムに限らず切削や鋳造などの加工が可能であれば銅や鉄系金属や合金でも同様の効果が得られる。
さらに、図１１に示すように、接合ブロック１２１のみを銅とした銅アルミニウムクラッド材を元に、切削加工して放熱部材１を製造しても構わない。図１１は、本発明の実施の形態２による第２のパワーモジュールの断面模式図である。図１１のパワーモジュール１００における放熱部材１は、接合ブロック１２１のみを銅とした銅アルミニウムクラッド材を元に、切削加工して放熱部材１を製造したものである。このように、スリット１３を形成した接合界面部分である接合ブロック１２１が、放熱部材１とセラミック基板２の中間の熱膨張係数を有する別の部材で構成されることで、セラミック基板２に近い部分である接合ブロック１２１は、熱膨張係数がアルミニウムに比べて小さくなるので接合ブロック１２１とセラミック基板２との接合部の熱応力を低減する。
また、図１１の放熱部材１は、全体を銅で製造するのに比べると大幅に軽量化が可能となる。図１１の放熱部材１の場合は、界面抵抗が十分に小さい接合方法であれば、後から銅製の接合ブロック１２１をアルミニウム製の冷却フィン部１５に対して接合を行っても同様の効果が得られる。この場合、接合ブロック１２１は一体物として、スリット１３は浅めに形成するように加工することで、生産性の確保が容易となる。
ここでは、ボンディングワイヤ８１、８２としてアルミニウムを用いたが、銅ワイヤやアルミニウム被覆銅ワイヤを用いることで、さらなる信頼性の向上を得ることが可能となる。また、ワイヤボンディング工法に替えてリボンボンディングによっても電気回路の形成が可能であり、バスバーを用いた主電極回路の形成も可能である。
また、ウォータージャケット４を用いた水冷パワーモジュールに限らず、冷却フィン１１を空冷フィンとして用いても同様の効果が得られる。
セラミック基板２は、基材がＡｌＮである例で説明したが、アルミナやＳｉＣ、ＳｉＮ（Ｓｉ３Ｎ４）などの絶縁基板基材を用いても同様の効果が得られる。導体層２１、２２はアルミニウムを用いたが、銅やニッケルでも同様の効果が得られる。
なお、絶縁性高放熱性のペースト７１を用いてリードフレーム６１、６２を位置決め固定した例で説明したが、図１２、図１３に示すように、ペースト７３をセラミック基板２と放熱部材１の固定とスリット１３の隙間充填のみに使用して、リードフレーム６１、６２がトランスファモールド樹脂６５で固定されるようにすることも可能である。図１２は本発明の実施の形態２による第３のパワーモジュールの断面模式図であり、図１４は本発明の実施の形態２による第４のパワーモジュールの断面模式図である。ペースト７３は、セラミック基板２のセラミック基材２１及び接合ブロック１２に対向する導体層２２の外周部や、接合ブロック１２の外周部、冷却フィン部１５の外周部１６に充填される。この場合、リードフレーム６１、６２の位置決め固定を、治具を用いて行い、ペースト７３をセラミック基板２と放熱部材１の固定とスリット１３の隙間充填のみに使用することで、ペースト７３として導電性タイプを用いることが可能となり、セラミック基板２と放熱部材１との熱伝導に関して、さらなる高熱伝導を期待することが可能となる。図１２のパワーモジュールは図８の放熱部材１にペースト７３を適用した例であり、図１３のパワーモジュールは図１１の放熱部材１にペースト７３を適用した例である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１…放熱部材、２…セラミック基板（絶縁基板）、５…ケ−ス、１１…冷却フィン、１２…接合ブロック、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…スリット、１５…冷却フィン部、１６…外周部、６１…リードフレーム、６２…リードフレーム、６５…トランスファモールド樹脂（封止樹脂）、７１…ペースト、７２…ポッティング封止樹脂（封止樹脂）、７３…ペースト、８１…ボンディングワイヤ（接続部材）、８２…ボンディングワイヤ（接続部材）、９１…パワー半導体素子、９２…パワー半導体素子、１００…パワーモジュール。

Claims (13)

  1. 表側にパワー半導体素子が搭載された絶縁基板と、冷却フィンが設けられるとともに前記絶縁基板の裏側に接合された放熱部材と、を備えたパワーモジュールであって、
    前記放熱部材は、前記絶縁基板と対向する側に、外周部に連通したスリットによって分割された接合ブロックと、前記冷却フィンが設けられた冷却フィン部とを有し、
    前記絶縁基板は、前記接合ブロックにおける当該絶縁基板との対向する面に接合されたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記放熱部材は、空気よりも伝熱性の高い高伝熱性充填部材が、前記スリットに充填されたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
  3. 前記放熱部材は、前記放熱部材よりも弾性係数の低い低弾性充填部材が、前記スリットに充填されたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
  4. 前記接合ブロック及び前記絶縁基板の側面を囲むケースをさらに備え、
    前記ケースは前記冷却フィン部における外周部に接続され、
    前記パワー半導体素子は封止樹脂により封止されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記パワー半導体素子の電極に接続部材を用いて接続されたリードフレームをさらに備え、
    前記パワー半導体素子、前記接続部材、前記リードフレームの一部、前記絶縁基板、前記接合ブロックは、トランスファモールド樹脂により封止されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  6. 前記パワー半導体素子の電極に接続部材を用いて接続されたリードフレームをさらに備え、
    前記リードフレームは、前記高伝熱性充填部材により前記放熱部材に接着され、
    前記パワー半導体素子、前記接続部材、前記リードフレームの一部、前記絶縁基板、前記接合ブロックは、トランスファモールド樹脂により封止されたことを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
  7. 前記パワー半導体素子の電極に接続部材を用いて接続されたリードフレームをさらに備え、
    前記リードフレームは、前記低弾性充填部材により前記放熱部材に接着され、
    前記パワー半導体素子、前記接続部材、前記リードフレームの一部、前記絶縁基板、前記接合ブロックは、トランスファモールド樹脂により封止されたことを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
  8. 前記パワー半導体素子の電極に接続部材を用いて接続されたリードフレームをさらに備え、
    前記絶縁基板における前記放熱部材に対向する側と前記接合ブロックの側面は、前記高伝熱性充填部材により覆われ、
    前記パワー半導体素子、前記接続部材、前記リードフレームの一部、前記絶縁基板、前記接合ブロックは、トランスファモールド樹脂により封止され、
    前記高伝熱性充填部材は、導電性を有することを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
  9. 前記パワー半導体素子の電極に接続部材を用いて接続されたリードフレームをさらに備え、
    前記絶縁基板における前記放熱部材に対向する側と前記接合ブロックの側面は、前記低弾性充填部材により覆われ、
    前記パワー半導体素子、前記接続部材、前記リードフレームの一部、前記絶縁基板、前記接合ブロックは、トランスファモールド樹脂により封止され、
    前記低弾性充填部材は、導電性を有することを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
  10. 前記放熱部材は、前記冷却フィンから前記接合ブロックにおける前記絶縁基板との対向する面まで同一部材で構成されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  11. 前記接合ブロックは、その熱膨張係数が、前記冷却フィン部の熱膨張係数と前記絶縁基板の熱膨張係数との間の値であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  12. 前記パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  13. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１２記載のパワーモジュール。
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