JP2018163932A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールにおいて、パワー半導体をより効率的に冷却する。【解決手段】パワー半導体４ｃが金属層４ａを介して実装された絶縁基板３と、上記パワー半導体４ｃにおける上記金属層４ａとの当接面以外の面と接続するリードフレーム４ｄとを備え、上記リードフレーム４ｄは、グラファイト材を含む複合材料により構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールに関するものである。

自動車等に搭載されるパワーモジュールには、発熱量の多い電子部品（パワー半導体）が複数用いられるため、これらの電子部品を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板に金属層を介してヒートシンク（冷却器）が接合される構成が開示されている。この特許文献１においては、ヒートシンクの天板を、アルミニウムを含む材料で構成することにより、電子部品から発生した熱を効率的にヒートシンク側に放散させている。

特開２０１０−９８０６０号公報

しかしながら、特許文献１のヒートシンク付パワーモジュールは、熱の伝達経路が電子部品の直下のみとされている。このため、電子部品において発生した熱は、直下の金属層を介してのみヒートシンクへと伝達されることとなり、電子部品の放熱が十分ではない場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、パワーモジュールにおいて、パワー半導体をより効率的に冷却することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、パワー半導体が金属層を介して実装された絶縁基板と、上記パワー半導体における上記金属層との当接面以外の面と接続するリードフレームとを備え、上記リードフレームは、グラファイト材を含む複合材料により構成されている、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記リードフレームは、グラファイト材と、上記パワー半導体及び上記金属層と当接すると共に上記グラファイト材を保持する金属部材とを備える、という構成を採用する。

第３の手段として、パワー半導体が接続された金属層と、上記金属層と接合される絶縁シートと、上記パワー半導体における上記金属層との当接面以外の面と接続するリードフレームとを備え、上記リードフレームは、グラファイト材を含む複合材料により構成されている、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第３の手段において、上記リードフレームは、グラファイト材と、上記パワー半導体及び上記絶縁シートと当接すると共に上記グラファイト材を保持する金属部材とを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、パワーモジュールは、半導体と金属層との当接面以外の面に当接するリードフレームを備えている。これにより、半導体において発生した熱を金属層の当接面以外の面からも放熱することができる。さらに、リードフレームは、グラファイト材を含む複合材料であるため、熱伝導率が金属よりも高い。したがって、半導体をより効率的に冷却することができる。

本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの模式断面図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールが備えるリードフレームの部分拡大図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの変形例を示す模式断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。図１は、本実施形態におけるパワーモジュール１の模式断面図である。

本実施形態のパワーモジュール１は、自動車等に設けられ、冷却器２と、冷却器２に接合される絶縁基板３と、絶縁基板３に実装される電子回路４と、ケース５と、端子６とを備えている。また、冷却器２は、略直方体状とされ、内部に流通する冷媒と熱交換することにより、電子回路４において発生した熱を除去する。
絶縁基板３は、セラミック等の絶縁部材により構成され、ハンダにより冷却器２に接合されている平板状の部材である。

電子回路４は、絶縁基板３に実装され、伝熱金属層４ａと、プリント配線４ｂ（金属層）と、パワー半導体チップ４ｃと、リードフレーム４ｄと、リボン４ｅとを有している。伝熱金属層４ａは、冷却器２との接合面において絶縁基板３に対してプリントされた金属の領域である。この伝熱金属層４ａにより、絶縁基板３に伝えられた熱が冷却器２へと伝達しやすくなる。プリント配線４ｂは、絶縁基板３に対してプリントされた回路配線であり、金属により構成されている。

パワー半導体チップ４ｃは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を有しており、一面にエミッタが形成されると共に、エミッタが形成された面と対向する面にコレクタが形成されている。パワー半導体チップ４ｃは、エミッタまたはコレクタが形成された面（下面）がプリント配線４ｂに対してハンダ等により接合されている。このパワー半導体チップ４ｃは、通電されることにより高い温度で発熱する。

図２は、本実施形態におけるパワーモジュール１が備えるリードフレーム４ｄの部分拡大図である。
リードフレーム４ｄは、図１に示すように、パワー半導体チップ４ｃのプリント配線４ｂとの接合面と対向する面（上面）に接合されると共に、プリント配線４ｂにおけるパワー半導体チップ４ｃから離間された領域４ｂ１と接合されている。これにより、リードフレーム４ｄは、パワー半導体チップ４ｃとプリント配線４ｂにおけるパワー半導体チップ４ｃから離間された領域４ｂ１とを電気的に接合している。リードフレーム４ｄは、図２に示すように、金属部材４ｄ１と、グラファイト部材４ｄ２とを有している。金属部材４ｄ１は、例えばアルミニウム製の帯状の部材であり、短手方向における両端の縁部が立ち上げられることにより、グラファイト部材４ｄ２を保持している。グラファイト部材４ｄ２は、帯状の長尺状部材とされ、短手方向における両側及び下面が金属部材４ｄ１と当接することにより、金属部材４ｄ１に保持されている。グラファイト部材４ｄ２は、黒鉛を含み、熱伝導率が銅等の金属と比較して高い特性を有している。なお、金属部材４ｄ１とグラファイト部材４ｄ２とは、超音波接合により接合されている。

図１に戻り、リボン４ｅは、プリント配線４ｂにおけるパワー半導体チップ４ｃから離間された領域４ｂ１に接続されると共に、端子６と接続されている。これによりリボン４ｅは、電子回路４を端子６と電気的に接続している。

ケース５は、冷却器２に固定され、絶縁基板３及び電子回路４を覆うことにより、電子回路４のパワー半導体チップ４ｃに水滴及び塵等が侵入することを防止している。なお、図１においては、ケース５の一部を図示している。
端子６は、例えば給電端子であり、外部のバッテリ等と接続されると共に、ケース５に埋め込まれて設置されている。端子６と電子回路４とが接続されることにより、端子６を介して電子回路４に電力が供給される。

本実施形態におけるパワーモジュール１は、電子回路４に通電されると、パワー半導体チップ４ｃが発熱し、高温となる。パワー半導体チップ４ｃの熱は、パワー半導体チップ４ｃの下面から直下のプリント配線４ｂを介して絶縁基板３に伝えられる。さらに、絶縁基板３に設けられた伝熱金属層４ａより、冷却器２に伝えられ、冷却器２において熱交換されることにより除去される。さらに、パワー半導体チップ４ｃの熱の一部は、パワー半導体チップ４ｃの上面から、リードフレーム４ｄを介してプリント配線４ｂの領域４ｂ１に伝えられる。領域４ｂ１に伝えられた熱は、絶縁基板３へと伝達され、さらに伝熱金属層４ａを介して冷却器２に伝達され、除去される。

このような本実施形態におけるパワーモジュール１によれば、パワー半導体チップ４ｃの上面及びプリント配線４ｂのパワー半導体チップ４ｃから離間された領域４ｂ１に接続されるリードフレーム４ｄを備えている。これにより、パワー半導体チップ４ｃにおいて発生した熱を、パワー半導体チップ４ｃの下面からだけではなく、パワー半導体チップ４ｃの上面からも伝達することができる。また、リードフレーム４ｄは、熱伝導率の高いグラファイト部材４ｄ２を有している。したがって、パワー半導体チップ４ｃをより効率的に冷却することができる。

また、本実施形態におけるパワーモジュール１によれば、リードフレーム４ｄは、グラファイト部材４ｄ２を保持する金属部材４ｄ１を有している。これにより、グラファイト部材４ｄ２を金属部材４ｄ１により補剛することができ、リードフレーム４ｄの強度を高めることができる。

また、リードフレーム４ｄの金属部材４ｄ１とグラファイト部材４ｄ２とは超音波接合により接合されている。したがって、金属部材４ｄ１とグラファイト部材４ｄ２との間にハンダ等の接合剤を設ける必要がなく、金属部材４ｄ１とグラファイト部材４ｄ２とを直接接合することができる。したがって、リードフレーム４ｄの熱伝導性を向上することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）図３は、上記実施形態におけるパワーモジュール１の変形例を示す模式断面図である。なお、同一の部材については、上記実施形態と符号を統一している。
図３に示すように、本変形例のパワーモジュール１は、絶縁基板３を備えず、絶縁シート３Ａを備えている。絶縁シート３Ａは、冷却器２に直接貼付された部材である。また、プリント配線４ｂは、絶縁シート３Ａに直接形成されている。このようなパワーモジュール１は、上記実施形態と同様に、パワー半導体チップ４ｃにおいて発生した熱を、パワー半導体チップ４ｃの下面からだけではなく、パワー半導体チップ４ｃの上面からも伝達することができる。また、リードフレーム４ｄは、熱伝導率の高いグラファイト部材４ｄ２を有している。したがって、パワー半導体チップ４ｃをより効率的に冷却することができる。
また、上記実施形態と同様に、リードフレーム４ｄは、グラファイト部材を保持する金属部材を有している。したがって、グラファイト部材を金属部材により補剛することができ、リードフレーム４ｄの強度を高めることができる。
また、絶縁基板３を設けず、絶縁シート３Ａを設けることにより、パワー半導体チップ４ｃと冷却器２との距離を近づけることができ、パワー半導体チップ４ｃをより効率的に冷却することができる。

（２）また、上記実施形態においては、リードフレーム４ｄの金属部材４ｄ１に直接グラファイト部材４ｄ２が接合される構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。リードフレーム４ｄは、金属部材４ｄ１とグラファイト部材４ｄ２との間に銅部材を挿入することも可能である。この場合、銅は熱伝導性が高いため、リードフレーム４ｄの熱伝導性をより高めることができる。

１……パワーモジュール
２……冷却器
３……絶縁基板
３Ａ……絶縁シート
４……電子回路
４ａ……伝熱金属層
４ｂ……プリント配線
４ｂ１……領域
４ｃ……パワー半導体チップ
４ｄ……リードフレーム
４ｄ１……金属部材
４ｄ２……グラファイト部材

Claims (4)

1. パワー半導体が金属層を介して実装された絶縁基板と、
   前記パワー半導体における前記金属層との当接面以外の面と接続するリードフレームとを備え、
   前記リードフレームは、グラファイト材を含む複合材料により構成されている
   ことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記リードフレームは、グラファイト材と、前記パワー半導体及び前記金属層と当接すると共に前記グラファイト材を保持する金属部材とを備えることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. パワー半導体が接続された金属層と、
   前記金属層と接合される絶縁シートと、
   前記パワー半導体における前記金属層との当接面以外の面と接続するリードフレームとを備え、
   前記リードフレームは、グラファイト材を含む複合材料により構成されている
   ことを特徴とするパワーモジュール。
4. 前記リードフレームは、グラファイト材と、前記パワー半導体及び前記絶縁シートと当接すると共に前記グラファイト材を保持する金属部材とを備えることを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。

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