JP2015220382A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】小型軽量化とともに放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性に優れた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】アルミニウム製の放熱部材１上部の接合ブロック１２を鉄製の枠材３の開口部３０で嵌合して固設することで、基板面方向の放熱部材の熱膨張による伸びを拘束し、放熱部材１とセラミック基板２との間の接合部にかかる熱応力を低減し、パワー半導体素子やセラミック基板との界面の接合部での剥離を抑制する。【選択図】図１

Description

この発明は、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。
パワーモジュールは、高電圧・大電流での利用に好適であり、産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品に普及しつつある。近年、パワーモジュールは、高密度実装化及び高性能化が要求されており、電気絶縁性を確保しつつ、半導体素子から発生した熱を効率よく放散させることが必要とされている。
特に、自動車用機器においては、小型軽量化とともに熱に対して高い信頼性が求められる。自動車用機器に使用されるパワーモジュールは、軽量化の要求からアルミニウム製等の冷却器への接続が必須となっており、また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体に適用できるパッケー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、アルミニウム製冷却フィンに対して、応力緩和層となる開口部を有する金属板を介してセラミック基板を接合する方法が開示されている。
特開２０１０−１６２５４号公報（段落００２３、図１）
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、接合する界面で、熱応力に伴う剥離などが発生しやすく、長期信頼性面で懸念されている。
特許文献１のような構成は、応力緩和層に開口部を形成することで柔軟性をもたせ、伸縮差に追従させるのが目的であるが、開口部は接合後に空隙となり熱伝導を阻害するという課題があった。また、接合界面が増えるため、生産上のプロセス増加や不具合発生要因の増大を招くという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型軽量化とともに放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
この発明のパワーモジュールは、半導体素子と、この半導体素子が配設される絶縁基板と、この絶縁基板の裏面と接合する接合部および前記接合部に接続する冷却フィンとが形成された放熱部材と、この放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有し、前記接合部の外周に固設される枠材とを備えるものである。
この発明によれば、放熱部材の接合部に、この放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有する枠材を嵌合して固設することで、基板面方向の放熱部材の熱膨張による伸びを拘束することができるので、放熱部材と絶縁基板との間の接合面にかかる熱応力を低減でき、剥離などを抑制できる。
この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の断面図であり、図２は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の要部を説明するための分解斜視図である。
図１に示すように、パワーモジュール１００は、放熱部材１と、放熱部材１の上部の外周を囲うように固設された枠材３と、放熱部材１の上面にろう材３３を介して載設された絶縁基板としてのセラミック基板２と、セラミック基板２上に配設されたパワー半導体素子９１、９２と、パワー半導体素子９１、９２にボンディングワイヤ８１、８２を介して接続された外部端子６と、ケース５内にセラミック基板２、パワー半導体素子９１、９２、ボンディングワイヤ８１、８２を覆って充填された封止材としてのポッティング樹脂７２と、ウォータージャケット４とを備える。
放熱部材１（例えば、外形寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２３ｍｍ）は、アルミニウム製で、下部に冷却フィン１１（外形寸法２ｍｍ角で高さ１５ｍｍ、４００本）が形成され、上部には矩形の接合部としての接合ブロック１２（外形寸法６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍを幅２ｍｍのスリットで９分割、図２参照）が形成されている。
アルミニウムの素材としては、純アルミニウム（１０５０：国際アルミニウム合金名）のほかに、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金（５０５２：国際アルミニウム合金名）やＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金（６０６３：国際アルミニウム合金名）なども用いることができる。放熱部材１の冷却フィン１１や接合ブロック１２のスリットは、切削で形成されるが、鍛造や鋳造などの工法で形成してもよい。
枠材３（外形寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍで、接合ブロック１２に対応した開口部３１を９個形成、図２参照）は、鉄製で、放熱部材１の上部の接合ブロック１２のそれぞれに開口部３１が嵌合するように形成されている。
放熱部材１と枠材３とは、嵌合して接合されるが、熱ばめ（冷やしばめ）やろう付け、一体鋳造や鍛造などによっても可能である。
セラミック基板２は、ＡｌＮ製の基材２３（外形寸法６５ｍｍ×６５ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）の両面に、銅製の導体層２１、２２（厚さ０．４ｍｍ）が積層されて構成される（図２参照）。導体層２１には、パワー半導体素子９１、９２が接合され、放熱層としての導体層２２は、放熱部材１の接合ブロック１２及び枠材３に接合される。
ここでは、セラミック基板２として、基材２３をＡｌＮ製としたが、アルミナやＳｉＣ、ＳｉＮなどの絶縁基板基材を用いてもよい。導体層２１、２２としては、銅製を用いたが、アルミニウムやニッケルでもよい。
パワー半導体素子９１は、Ｓｉ製のダイオード（外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍ）である。パワー半導体素子９２は、Ｓｉ製のＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistors、外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍ）である。
次に、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の製造方法について、図３に基づき説明する。まず、図３（ａ）に示すように、放熱部材１に対して枠材３を、放熱部材１の上部の接合ブロック１２のそれぞれに枠材３の開口部３１を嵌合させて組み付け、ベース部１０を形成する。
続いて、図３（ｂ）に示すように、セラミック基板２を、ろう材３３を用いてベース部１０の上面に位置決めして接合する。このとき、セラミック基板２は、枠材３の開口部３１から露出する放熱部材１の接合ブロック１２の上部に直接接合させることができる。
次いで、図３（ｃ）に示すように、外部端子６（ＮｉめっきＣｕフレーム）を形成したケース５（ＰＰＳ製インサートモールド形成）を搭載し、ケース５とベース部１０とは、接着剤を塗布しオーブンで加熱硬化させ、接着する。ケース５は、ベース部１０の縁部、つまり、枠材３の上面部と接着することにより、開口部３１から露出する放熱部材１の接合ブロック１２の上部はすべての領域がセラミック基板２との接続に用いることができる。
セラミック基板２上に、パワー半導体素子９１、９２を、はんだ（千住金属工業株式会社製Ｍ７０５：Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）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（アルミニウム製、φ０．４ｍｍ）およびボンディングワイヤ８２（アルミニウム製、φ０．１５）を用いて、主電極および信号電極をケース５の外部端子６と接続して、電気回路を形成する。
ここでは、ボンディングワイヤ８１、８２としてアルミニウム製を用いるが、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。
最後に、図３（ｄ）に示すように、ポッティング樹脂７２を用いて、パワー半導体素子９１、９２およびボンディングワイヤ８１、８２を絶縁封止し、ウォータージャケット４（ＡＢＳ樹脂製）を放熱部材１の下部の冷却フィン１１を覆うように水密接着剤を用いて接着して、冷却器とすることでパワーモジュール１００が完成する。
なお、実施の形態１および実施の形態２においては、封止材としてポッティング樹脂７２により絶縁封止したが、液状ゲルや耐熱ゴムを用いてもよい。放熱部材１の冷却については、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としたが、冷却フィン１１を空冷フィンとして用いてもよい。
次に、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の動作について説明する。この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００では、まず、パワー半導体素子９１およびパワー半導体素子９２において発生した熱は、セラミック基板２を介して、放熱部材１の接合ブロック１２に伝わり、放熱部材１の冷却フィン１１から放散される。
放熱部材１は、セラミック基板２との接合面１２ａから冷却フィン１１までを継ぎ目のないアルミニウム一体部材で構成されていることから、効率的な冷却が可能となっている。しかし、これと同時に、パワー半導体素子９１およびパワー半導体素子９２において発生した熱が、放熱部材１に伝わると、比較的熱膨張係数の大きいアルミニウム製で構成されている放熱部材１は、膨張しようとする。
これに対し、放熱部材１に固設される枠材３は、アルミニウムに比較して熱膨張係数が小さく、弾性係数の大きな鉄製であることから、基板面方向の放熱部材１の伸びを拘束する。したがって、放熱部材１とセラミック基板２との間の接合面にかかる熱応力を低減できることから、剥離などを抑制でき、長期信頼性が向上する。
また、枠材３は開口部３１の形成により格子状に構成されているため、開口部３１で接合ブロック１２を嵌合することで、放熱部材を接合ブロックごとに拘束することにより、より強固に放熱部材の伸びを拘束でき、熱応力を低減できる。
さらに、ベース部１０は、冷却水に接する面は全面アルミニウムとなっており、枠材３と放熱部材１との継ぎ目が冷却水側に露出しないため、水漏れの問題や腐食の問題が解消できる。
以上のように、この発明の実施の形態１におけるパワーモジュール１００では、アルミニウム製の放熱部材１上部の接合ブロック１２を鉄製の枠材３で嵌合して固設することで、基板面方向の放熱部材の熱膨張による伸びを拘束し、放熱部材１とセラミック基板２との間の接合面にかかる熱応力を低減できることから、剥離などを抑制でき、長期信頼性が向上する。
また、枠材３を開口部３１で格子状に構成し、開口部３１で接合ブロック１２を嵌合することで、放熱部材を接合ブロックごとに拘束することにより、より強固に放熱部材の伸びを拘束でき、熱応力を低減できる。
また、冷却水に接する放熱部材の下部は全面アルミニウムで、枠材と放熱部材との継ぎ目が冷却水側に露出しないため、水漏れの問題や腐食の問題が解消できる。
さらに、枠材３の上面部にケース５を接着する構成とすることで、枠材の開口部から露出する放熱部材の接合ブロックの上部はすべての領域がセラミック基板との接続に用いることができ、効率的な冷却が可能となっている。
また、放熱部材１はセラミック基板２との接合面から冷却フィンまでを継ぎ目のないアルミニウム一体部材で構成されているため、効率的な冷却が可能となっている。
実施の形態２．
実施の形態１では、放熱部材１上部の接合ブロック１２を矩形としたが、実施の形態２では、接合ブロックにテーパ型を用いた場合について説明する。
図４は、この発明の実施の形態２によるパワーモジュール２００を示す断面図である。図４に示すように、放熱部材１３の接合ブロック１２０にすそ広がりのテーパが形成されており、枠材３０の開口部３２にも、接合ブロック１２０に対応したテーパが形成されている。
パワーモジュール２００のその他の構成および動作については、実施の形態１のパワーモジュール１００と同様であり、その説明を省略する。
このように、接合ブロック１２０の側面を傾斜させ、冷却フィン１１０に向けてすそ広がりのテーパが形成されることで、パワー半導体素子９１およびパワー半導体素子９２において発生した熱を、セラミック基板２を介し、接合ブロック１２０で効率的に広げて冷却フィン１１０に伝え、放散させることが可能となる。
また、この接合ブロック１２０のテーパ形状に対応して、枠材３０の開口部３２の内壁面を傾斜させてテーパが形成されることで、接合ブロック１２０のセラミック基板２との接合面においては、熱膨張係数の小さな鉄からなる枠材３０の面積が大きくなるため、熱応力の低減も可能となる。
以上のように、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュール２００では、実施の形態１と同様の効果が得られるだけでなく、放熱部材１３の接合ブロック１２０に、冷却フィン１１０に向けてすそ広がりのテーパを形成することで、パワー半導体素子の熱をより効率的に放散させることが可能となる。
また、接合ブロック１２０に対応して、枠材３０の開口部３２にテーパを形成することで、接合ブロック１２０のセラミック基板２との接合面において、鉄からなる枠材の面積が大きくなるため、セラミック基板に対しベース部の熱膨張を抑制でき、熱応力の低減の効果が増大する。
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、ポッティング樹脂７２によりパワー半導体素子９１、９２を絶縁封止する場合について示したが、実施の形態３では、モールド樹脂により絶縁封止する場合について説明する。
図５は、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３００を示す断面図である。図５に示すように、パワーモジュール３００は、セラミック基板２上に配設されたパワー半導体素子９１、９２と、パワー半導体素子９１、９２にボンディングワイヤ８１、８２を介して接続されたリードフレーム６１、６２を備える。
リードフレーム６１、６２（厚さ０．６ｍｍ）は、Ｎｉめっきを施されたＣｕフレームで構成され、絶縁性接着材７１を用いて枠材３または放熱部材１の上面に位置決め固定し、オーブンで加熱硬化させて、形成される。
また、パワーモジュール３００は、枠材３、セラミック基板２、パワー半導体素子９１、９２、ボンディングワイヤ８１、８２、放熱部材１の一部、およびリードフレーム６１、６２の一部を覆うモールド樹脂６５を備える。
次に、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３００の製造方法について、図６に基づき説明する。まず、実施の形態１で作製したベース部１０に接合させたセラミック基板２を用意する（図３（ｂ）参照）。
図６（ａ）に示すように、リードフレーム６１、６２を、絶縁性接着材７１を用いてベース部１０の枠材３または放熱部材１の上面に位置決め固定し、オーブンで加熱硬化させて、接着する。
続いて、セラミック基板２上に、パワー半導体素子９１、９２を、はんだ（千住金属工業株式会社製Ｍ７０５：Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）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（アルミニウム製、φ０．４ｍｍ）およびボンディングワイヤ８２（アルミニウム製、φ０．１５）を用いて、主電極および信号電極をリードフレーム６１、６２と接続して、電気回路を形成する。
次いで、図６（ｂ）に示すように、トランスファモールド封止用金型６３ａ、６３ｂにより、リードフレーム６１、６２を挟持して、ベース部１０に接合させたセラミック基板２を金型内部に保持する。
この際、リードフレーム６１、６２の外部リード部６１ａ、６２ａと、放熱部材１の下部の冷却フィン１１とが、トランスファモールド封止の後にモールド樹脂６５の外部に露出するようにトランスファモールド封止用金型６３ａ、６３ｂで保持される。
トランスファモールド封止用金型６３ａ、６３ｂの内部には、封止樹脂が充填されるキャビティＡと、封止樹脂が充填されないキャビティＢとが形成されている。
続いて、トランスファモールド封止用金型６３ａ、６３ｂのキャビティＡ内に、封止樹脂が充填された後、加熱、加圧され、封止樹脂が硬化することにより、トランスファモールド封止が完了する。
図６（ｃ）に示すように、セラミック基板２上のパワー半導体素子９１、９２は、ボンディングワイヤ８１、リードフレーム６１、６２の一部、および枠材３が固設された放熱部材１のベース部１０上部とともにモールド樹脂６５で覆われた状態となっている。
最後に、ウォータージャケット４（ＡＢＳ樹脂製）を放熱部材１の下部の冷却フィン１１を覆うように水密接着剤を用いて接着して、冷却器とすることでパワーモジュール３００が完成する。
実施の形態１および実施の形態２のパワーモジュール１００、２００においては、パワー半導体素子９１、９２およびボンディングワイヤ８１、８２を絶縁封止するために、ケース５を搭載してポッティング樹脂７２を充填している。
実施の形態３では、上述のように、トランスファモールド封止用金型６３ａ、６３ｂを用いて絶縁封止を行うことから、ケース５の搭載が不要となり、特に、大量生産においては、工程数の簡略化によりコスト低減を図ることができる。
また、実施の形態１および実施の形態２においては、パワー半導体素子９１、９２を接合するベース部１０は、アルミニウム製の放熱部材１上部の接合ブロック１２の周囲を鉄製の枠材３で囲う構成となっていることから、鉄製の枠材３の外壁部３ａ、３０ａが外気に触れる状態で使用する。
これに対して、実施の形態３のパワーモジュール３００においては、ベース部１０の鉄製の外壁部３ａは、放熱部材１のベース部１０上部とともにモールド樹脂６５で覆われた状態となっていることから、外気に触れることを防止し、腐食の問題が解消できる。
その他の構成及び動作は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
以上のように、この発明の実施の形態３におけるパワーモジュール３００では、実施の形態１と同様の効果が得られるだけでなく、パワー半導体素子９１、９２およびボンディングワイヤ８１、８２をモールド樹脂６５で覆うことにより絶縁封止することで、大量生産においては、工程数の簡略化によりコスト低減を図ることができる。
また、ベース部１０の枠材３をモールド樹脂６５で覆う構成とすることで、枠材が外気に触れることを防止できることから、腐食の問題が解消でき、さらに長期信頼性が向上する。
なお、実施の形態３においては、実施の形態１と同様の枠材３および放熱部材１を用いたが、実施の形態３の枠材３および放熱部材１の代わりに、実施の形態２の枠材３０および放熱部材１３を用いた場合でも、同様の効果がえられることは、言うまでもない。
上述した実施の形態においては、枠材３、３０として鉄（膨張係数１２ｐｐｍ／Ｋ）製のものを用いたが、これに限るものではない。枠材としては、アルミニウム（膨張係数２１ｐｐｍ／Ｋ）よりも膨張係数が小さい素材（銅、ステンレスなど）であれば同様の効果が得られる。
また、上述した実施の形態におけるパワーモジュールを構成するパワー半導体素子９１、９２としては、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものには限定されず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどが挙げられる。
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。また、耐熱性も高いため、放熱部材の冷却フィンの小型化や、空冷化が可能であるので、パワーモジュールの一層の小型化が可能になる。
パワーモジュールの小型化が進むと、放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性への要求がさらに高度になる。このような要求に対しても、本発明のパワーモジュールは、優れた効果を発揮する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、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、３ 枠材、１１ 冷却フィン、１２ 接合ブロック、１３ 放熱部材、３０ 枠材、６５ トランスファモールド樹脂、７２ ポッティング樹脂、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、１２０ 接合ブロック、１１０ 冷却フィン、２００ パワーモジュール、３００ パワーモジュール

Claims (8)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子が配設される絶縁基板と、
    一方の面に前記絶縁基板の裏面と接合する接合部が形成され、他方の面に冷却フィンが形成された放熱部材と
    前記放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有し、前記接合部の外周に固設される枠材と
    を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記接合部は、複数のブロックに分割されており、前記分割された各ブロックのそれぞれの外周に枠材が固設されてい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。
  3. 前記各ブロックの外周は、前記冷却フィンの方向に広がるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記放熱部材は、アルミニウムで形成され、前記枠材は、鉄で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記放熱部材は、前記冷却フィンのみが冷却水により冷却されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  6. 前記半導体素子は、ポッティング樹脂またはモールド樹脂により封止されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  7. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイアモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
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